网格编程基础--01

Posted 2021-01-10 devmi

(原文链接：https://catlikecoding.com/unity/tutorials/procedural-grid/)

创建网格点

使用协程分析网格点的布局

定义三角面

自动生成法线

添加纹理坐标和切线

 

本篇教程学习简单的顶点和三角形网格的创建

 

需要具备的基础：

1. 熟悉基本的Unity编程
2. 了解协程
3. 使用Unity5.0.1或更高版本

 

                                       

 

                                                                                                                 复杂的表面下是简单的几何结构

 

1. 渲染知识

• 如果你想在Unity中使某些物体可视化，那么使用网格（mesh）。可以从别的项目中导入的3D模型。它可以通过网格编程来生成。也可以是纹理、UI元素或者粒子系统。甚至是屏幕效果也是网格来渲染。
• 那么什么是网格（mesh），从概念上来说，网格是图形硬件设备用来绘制复杂物体的构造体。它至少包含一个顶点集合用来定义3D空间上的点，加上链接这些顶点的三角形集合（三角形是最基础的2D图形）。三角形构成了网格代表的表面。
• 因为三角形是平的并且有直线边界，因此能用来画出平面（visualize flat and straight things），比如cube的各个面。使用大量的三角形能够大致的画出圆曲面。如果三角形足够小，但不小于一个像素单位的话，你就不会察觉到这种误差。通常来说这在实时渲染中是不可行的，在某些角度看，这些可视表面会呈现出锯齿状。

 

 

 

                                         

                                                Unity中默认的capsule，cube，sphere  。     shaded  vs  wireframe  （着色的 vs 线框）

 

 

                                                                                            如何显示线框呢？

• 如果你想显示3D模型，那么有两个必要的组件。 Mesh Filter：这个组件持有要显示的网格的引用。Mesh Renderer：网格如何被渲染，需要用到材质（material），不管是否需要投影或接收阴影等

 

                                                                                        为什么Mesh Renderer组件中有materials集合？

 

• 通过调整材质可以完全改变网格的显示。Unity默认的材质是纯白色的。你能创建自己的材质球（Asset/Create/Material）并且拖拽到GameObject上。新创建材质默认使用标准着色器（Standard shader），通过着色器可以控制表面的呈现效果。

 

• 赋值一张albedo map能够让你的网格呈现更多的细节。这是一张代表材质基础颜色的纹理。当然我们需要知道怎样将这张纹理投射到网格的三角形中，通过添加2D纹理坐标到顶点上可以完成这一步骤。二维纹理空间是指U和V。这些坐标的范围是（(0,0)-(1,1)）,覆盖整张纹理。在这个范围之外的坐标会被clamped或者tiling,取决于纹理设置。
•                              

                                                                                                                     应用在Unity 网格中的UV测试纹理    

 

2. 创建顶点网格

        你会怎样创建自己的网格呢？通过生成一个矩形网格找到答案吧。这个网格由单位长度的四边形方块组成。创建C#脚本并且把它变成一个带有水平和垂直大小的网格组建

                          

                                                                    需要System.Collections命名空间吗？

当我们把这个组件添加到一个GameObject时，应该同时添加Mesh Filter和Mesh Renderer组件。通过在类中添加特性，Unity就会自动添加

                           

 

现在创建一个空物体，并且挂载这个脚本，然后Unity就会自动添加Mesh Filter和Mesh Renderer组件。设置renderer组件的材质，但先不要设置filter组件的网格。在这里我把网格大小设置为10x5

 

                                                                                                

在Awake方法中调用生成网格的方法

                                          

 

先研究一下顶点的位置，三角形放在后面。声明Vector3数组来保存这些顶点。数组大小取决于网格大小。在每一个四边形角落都需要一个顶点，相邻的四边形可以共用相同的顶点。在每一个维度都需要多一个顶点。

（#x+1）(#y+1)

                                                                                                

 

                                                                                               4x2的网格中的顶点和四边形下标

 

 

                                                            

把这些顶点画出来才能确定它们的位置是否正确，在OnDrawGizmos方法中可以为每一个顶点在场景中绘制一个小黑点

                                                           

                                                                                                                    什么是gizmos呢？

 

当没有顶点时，在非Play模式下也不会报错，因为OnDrawGizmos方法在编辑模式下也是可以执行的。为了防止错误，要判断顶点数组是否存在，如果不存在就return

                                                            

                                                                                                            

 

在play模式下，在原点只看到一个圆圈。这是因为还没有放置这些顶点的位置，所以全部顶点都重叠在同一个位置了。需要用双层循环遍历这些位置

                                                            

 

                                                                            

                                                                                                                           顶点网格

 

 

如上图所示的顶点我们已经生成好了，但还不知道它们放置的顺序。可以通过上色来呈现这个顺序，也可以通过协程放慢这个生成过程来观察放置的顺序。using System.Collections

                                                            

 

 

-----------------这里可以放一个生成顶点过程的gif动画

 

3. 创建网格

目前已经知道顶点的生成位置，那么就可以处理真正的网格了。此外在Grid组件中持有这个网格的引用，并且将它赋值给mesh filter组件。那么就可以将处理好的顶点赋值给网格了

 

                                            

 

                                            

                                                            在play模式下就可以看到mesh了

 

在play模式下已经有网格了，但没有赋值三角形之前是看不到这个网格的。三角形通过顶点数组的下标定义的。因为每一个三角形都有三个点，三个连续的下标就可以构成一个三角形。从只有一个三角形开始吧

                                                            

 

现在有一个三角形了，但是这三个点是在一条直线上的。这会生成一个degenerate triangle，它是看不见的。前两个顶点是没有错的，但第三个点应该是下一行的第一个顶点。

                                

 

 

这样才能得到一个三角形，但只有一个方向上才是可见的。在这种情况下，只有在Z轴的反方向才能看见这个网格。因此需要旋转视角才能看见。

三角形从哪个方向可以被看见是取决于顶点下标的方向的。默认情况下，如果是顺时针方向的，这个三角形就是前向的并且可见的。逆时针方向的三角形会被丢弃掉，因此就无需浪费时间在绘制物体的内部上了，通常情况下这也是不应该被看见的。

                                                                                                

                                                                                                                        三角形的两个面

为了能从Z轴方向上看到三角形，我们应该改变这个顺序。也就是调换一下第二第三个下标

                                

 

                                                                                                    

 

如上图，已经把第一个三角形给绘制出来了，现在绘制第二个

                                    

 

                                                                                                            

 

因为这些三角形共用两个顶点，所有只用四行代码就可以了，每一个顶点下标声明一次就行了

                           

 

                                                                                                        

 

通过一个循环就可以生成一行方块了。当我们对顶点和三角形下标进行遍历时，记得两个都要记录。把yield return加进这个循环中，就不用等待顶点显示了。

                           

顶点立即生成，而想看三角形逐个生成，那得在每一次循环中都更新网格，而不是循环结束后才更新。

 

                           

到这里，通过双层循环把整个网格铺满了三角形。要注意的是，跳到下一行时顶点下标也要加一，因为每一行方块不会多出来一个顶点的。

                             

 

                                                                                 

                                                                                                           填满整个网格

 

 

如同我们能看到的那样，网格被三角形填满了，一次一行，如果觉得可以了，那就可以去掉协程了，这样在生成的时候就不会有延迟了。

 

 

                                    

 

                                                                                为什么不用一个四边形呢？？

4. 生成额外的顶点数据

网格以一种特殊的方式生成了。是因为至今还没有给网格添加法线。默认的法线方向是（0，0，1），这个方向正好与我们需要的相反。        

                                                                                法线是如何起到效果的呢？

 

每一个顶点都会有法线，因此需要用另外一个Vector数组。或者我们可以让网格基于三角形为法线赋值。let‘s be lazy this time and do that

 

                              

                                                                             法线是怎么重新计算的呢？

                               

                                                                                         没有法线  vs 有法线

 

接下来就是UV坐标。现在的网格颜色是均衡的，即使它用的是一个带有albedo（反射）纹理的材质球。这也是说得通的，如果我们没有给UV坐标，那么默认是零。

为了让这张纹理适用整张网格，简单的用顶点位置除于网格维数：

                                  

                                                       

                                                                                       不正确的UV坐标，clamping  vs. wrapping 纹理

 

如上图，纹理没有铺满整张网格。能否正确显示取决于纹理的重复模式是否设置成了clamp or repeat。上图情况的原因是因为我们用整数除于整数（得到的还是整数）。为了能得到可以铺满整个网格的UV坐标（范围0-1），应该使用float（浮点型）

                                

现在，纹理可以投射到整个网格了。网格大小为10x5，纹理会有所水平拉伸。通过调整材质纹理的tiling设置可以改变这种情况。设置为（2，1）的话，U坐标翻倍，如果这张纹理是设置为repeat的话，就可以看到两个正方形瓦块。

 

                                  

                                                            正确的UV坐标，tiling （1，1） vs. （2，1）    

另一种增加表面细节的方法是使用法线映射。这些法线纹理包含了被编码为颜色的法线适量。使用法线贴图将会比单单使用顶点法线呈现出更多细节光照效果

                                

                                                                                                                一个崎岖不平的表面，使金属质感更带感

把这个材质应用到我们的网格上是不会有效果的，因为要先把切线矢量添加到网格中。

                                                                                        

                                                                                                切线是如何起到效果的呢？

 

因为是一个平面，所以所有的切线都会指向同一个方向--右边

                                

 

                                                                         

                                                                                            一张模仿颠簸纹理的平面

                                                                                                

到现在你已经知道如何创建简单的网格了，并且也知道如何使用材质可以将网格看起来更加复杂了。网格需要顶点位置和三角形，通常还有UV坐标（取决于它的四项设置），另外就是切线了。你可以增加顶点颜色，虽然Unity的标准着色器不会用到这个。你可以创建自己的shader并且使用这些颜色，敬请期待下一篇教程。

 

 

 

备注：

1. 关于Texture一些属性的介绍

• Texture.wrapMode 循环模式（Repeat or Clamp  ： 重复或强制拉伸），在贴图边界以设置贴图的重复模式的方式避免不真实的情况，使用强制贴图边界拉伸：TextureWrapMode.Clamp.  或者 贴图重复平铺 TextureWrapMode.Repeat
• TextureWrapMode.Clamp 钳制，钳制纹理到边框的最近像素，也就是单个图片，不重复平铺。这通常用于当映射一个图片到一个物体上时，并不像纹理平铺。纹理坐标被钳制在0-1之间。当UV大于1或小于0时，在边框的最近像素会被使用。
• TextureWrapMode.Repeat 重复，平铺纹理，创建一个重复图案，当UV不在0-1范围内时，整数部分会被忽略，于是创建一个重复图案。