JavaFX 3D动画新手指南：让你的应用动起来

# 1. JavaFX 3D动画技术概览

JavaFX是一个强大的Java库，用于开发跨平台的富客户端应用程序。在JavaFX 3D动画技术中，我们能够利用其提供的工具来创建三维空间中的动画效果。这些技术不仅限于静态的3D模型展示，还包括动态的、交互式的3D应用。JavaFX中内置的3D图形能力，允许开发者通过简单的API调用来实现复杂的3D场景渲染，如3D形状的创建、光照和阴影的应用、以及动画效果的制作。随着章节的深入，我们将从基础开始，逐步介绍如何搭建开发环境、创建项目、学习3D坐标系统、管理场景图、制作动画以及优化性能，并通过实际案例展示如何将这些知识应用到实际开发中。

# 2. 搭建JavaFX 3D动画开发环境

## 2.1 安装和配置Java开发工具包
### 2.1.1 下载并安装JDK
在进行JavaFX 3D动画开发之前，安装最新版本的Java开发工具包（JDK）是首要步骤。首先访问Oracle官网或其他JDK供应商网站，下载适合您操作系统的JDK安装包。例如，在编写本文时，最新的稳定版本为JDK 17。

安装JDK的步骤因操作系统而异，但在大多数情况下，双击下载的安装包并遵循向导指示即可完成安装。请确保在安装过程中记下JDK的安装路径，因为这将需要在后续配置环境变量时使用。

### 2.1.2 设置环境变量和验证安装
安装完成后，需要设置几个环境变量，以确保Java编译器和运行时环境可以在命令行中被调用。具体设置的环境变量如下：

- `JAVA_HOME`：JDK的安装目录。
- `PATH`：包含`JAVA_HOME/bin`的路径，确保系统能够在任何目录下找到Java命令。

这些环境变量的设置方法取决于您的操作系统。在Windows系统中，您可以在系统属性中的“高级”选项卡下编辑环境变量。在Unix-like系统中（如Linux或macOS），可以通过在`~/.bashrc`或`~/.bash_profile`文件中添加导出语句来实现。

安装和配置完成后，验证JDK是否正确安装：

- 打开命令行工具。
- 输入`java -version`，确保显示的是您刚刚安装的JDK版本。
- 输入`javac -version`，同样应显示正确的JDK版本。

以上步骤确认无误后，表示JDK安装及环境配置已经成功完成。

## 2.2 获取和设置JavaFX SDK
### 2.2.1 下载JavaFX SDK
JavaFX并非默认包含在JDK中，因此需要单独下载JavaFX SDK。访问OpenJFX官网（openjfx.io）找到对应JDK版本的JavaFX SDK，并下载对应的`javafx-sdk`压缩包。选择与您的JDK版本兼容的JavaFX版本，以确保开发环境的稳定性。

### 2.2.2 配置项目以使用JavaFX SDK
一旦下载了JavaFX SDK，需要将其集成到您的开发环境中。不同的集成开发环境（IDE）有不同的集成方式，这里以普遍使用的IntelliJ IDEA和Eclipse为例，说明配置过程。

**IntelliJ IDEA:**

1. 打开项目，选择`File` -> `Project Structure`。
2. 在左侧菜单中选择`Libraries`，点击右侧的`+`号，然后选择`Java`。
3. 浏览并选择解压后的JavaFX SDK目录，选择`lib`文件夹，包含所有`.jar`文件。
4. 点击`OK`，然后在项目结构窗口中选择`Modules`。
5. 在`Sources`标签页中，点击`+`号，选择`JavaFX`，然后再次点击`OK`。

**Eclipse:**

1. 打开Eclipse，选择`Window` -> `Preferences`。
2. 在左侧菜单中展开`Java` -> `Installed JREs`。
3. 点击`Add`，然后选择`Standard VM`。
4. 在弹出的窗口中点击`Directory`，浏览到JavaFX SDK解压目录。
5. 在`Libraries`标签页中，点击`Add External JARs...`，然后选择`lib`目录下的所有`.jar`文件。
6. 点击`Apply and Close`。

完成以上步骤之后，JavaFX的库文件就配置到您的开发环境中，接下来就可以创建并运行JavaFX应用程序了。

## 2.3 创建第一个JavaFX 3D动画项目
### 2.3.1 使用IDE创建项目
大多数现代IDE都支持JavaFX项目创建向导。这里介绍如何使用IntelliJ IDEA和Eclipse创建一个新的JavaFX项目。

**IntelliJ IDEA:**

1. 打开IDEA，选择`Create New Project`。
2. 在左侧菜单中选择`JavaFX`，然后按照向导填写项目信息。
3. 选择需要的JavaFX版本，这通常会自动为您添加JavaFX库。
4. 完成项目创建后，IDEA会生成一个默认的JavaFX应用程序。

**Eclipse:**

1. 打开Eclipse，选择`File` -> `New` -> `Java Project`。
2. 在向导中输入项目名称，并选择JavaSE版本。
3. 在`Libraries`标签页中，点击`Add Library` -> `JavaFX`，选择相应的版本。
4. 完成后，项目将被创建并配置好JavaFX环境。

### 2.3.2 编写基础的JavaFX应用程序结构
一个基础的JavaFX应用程序通常包含一个入口点类和一个场景（`Scene`），该场景将包含节点（`Node`），如按钮、文本或其他UI元素。以下是一个简单的JavaFX应用程序结构代码示例：

import javafx.application.Application;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.layout.StackPane;
import javafx.stage.Stage;

public class HelloWorldApp extends Application {
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        try {
            StackPane root = new StackPane();
            root.getChildren().add(new Text("Hello, JavaFX!"));
            Scene scene = new Scene(root, 300, 250);
            primaryStage.setScene(scene);
            primaryStage.show();
        } catch(Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个文本节点并将其添加到`StackPane`，这是一种简单的布局容器。接着创建了一个`Scene`，将`StackPane`作为其根节点。`Stage`是JavaFX应用程序的顶级窗口，我们将其场景设置为前面创建的`Scene`对象。调用`launch`方法作为程序入口点。

以上步骤完成之后，您已经成功搭建了一个可用于JavaFX 3D动画开发的环境，并且已经创建了您的第一个基础JavaFX应用程序。接下来您可以开始深入了解JavaFX 3D动画的各个方面了。

# 3. JavaFX 3D动画基础

## 3.1 JavaFX 3D坐标系统和视角

### 3.1.1 理解三维坐标系统

在三维世界中，坐标系统是我们定位对象、构建场景的基础。JavaFX的3D坐标系遵循右手规则，其中X轴指向屏幕右侧，Y轴指向屏幕上方，而Z轴则垂直于屏幕向外延伸。理解这个坐标系统对于创建和控制3D动画至关重要。

为了能够在3D空间中创建动画，我们需要学会在坐标系中放置和移动对象。JavaFX 3D引擎使用统一的长度单位，无论是在模型空间中定义的尺寸还是在世界空间中指定对象位置。

import javafx.application.Application;
import javafx.scene.Group;
import javafx.scene.PerspectiveCamera;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.paint.Color;
import javafx.scene.paint.PhongMaterial;
import javafx.scene.shape.Box;
import javafx.stage.Stage;

public class Basic3DCoordinatesExample extends Application {
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        // 创建一个场景
        Group root = new Group();
        Scene scene = new Scene(root, 800, 600, true);
        scene.setFill(Color.BLACK);

        // 创建一个3D盒子
        Box box = new Box(100, 100, 100);
        PhongMaterial material = new PhongMaterial();
        material.setDiffuseColor(Color.BLUE);
        box.setMaterial(material);

        // 设置场景的摄像机
        PerspectiveCamera camera = new PerspectiveCamera(true);
        camera.setTranslateZ(-400); // 将摄像机向后移动400单位

        // 将盒子添加到场景中并设置摄像机视图
        root.getChildren().addAll(box);
        scene.setCamera(camera);

        primaryStage.setTitle("JavaFX 3D Basic Coordinates Example");
        primaryStage.setScene(scene);
        primaryStage.show();
    }
    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }
}

在上面的代码示例中，我们创建了一个带有蓝色材质的立方体，并将其放置在3D场景中。我们还设置了一个摄像机，以便我们可以从特定的角度观看这个立方体。

### 3.1.2 设置相机视角和场景

在JavaFX中，`PerspectiveCamera` 用于提供一个透视视角，它模拟了人眼观察世界的方式，具有近