3D轮廓检测技术讲解

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笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

CSDN视频网址：http://edu.csdn.net/lecturer/144

今天我们将讨论一种可以检测到3D物体的轮廓方式。 为了使事情变得更清楚，我指的是一个3D对象的轮廓，当光从任意方向落在它上面时。 移动光源可能会相应地改变轮廓。 这完全不同于在图像空间中的轮廓检测，其处理在2D图像中找到对象的边界（其通常不依赖于光源的位置）。 虽然轮廓检测的主题本身可能是有趣的，但对我们来说，其主要目标是实施Stencil Shadow Volume（在上篇博客中介绍）的第一步。 这是一种渲染阴影的技术，在处理点光时尤其有用。 我们将在上一篇博文中研究过此技术。

以下图像演示了我们想要检测的轮廓：

在上面的图像中，轮廓是由光线照射。。。。。。
让我们现在转向更传统的3D语言，模型基本上由三角形组成，因此轮廓必须由三角形边缘创建。我们如何决定边缘是否是剪影的一部分？诀窍是基于漫射光模型，根据该模型，光强度是基于三角形法线和光矢量之间的点积，如果三角形远离光源，该点积运算的结果将小于或等于零。在这种情况下，光线根本不影响三角形。为了确定三角形边缘是否是剪影的一部分，我们需要找到共享相同边缘的相邻三角形，并计算原始三角形及其相邻的光线方向和法线之间的点积，如果一个三角形面向光，但其相邻的边则不会将边缘视为剪影边缘。

下图显示了2D对象简单轮廓产生：

红色箭头表示射中法线为1,2和3的三个边缘的光线（这些法线之间的点积与反向光矢量显然大于零）， 法线为4,5和6的边缘面向远离光（这里相同的点积小于或等于零）， 两个蓝色圆圈标记对象的轮廓，原因是边缘1面向光，但其相邻边缘6不是， 因此他们之间的点是一个轮廓， 另一个剪影点也是如此。

你可以看到，找到轮廓的算法非常简单。 然而，它要求我们知道每个三角形的三个相邻， 这被称为三角形的邻接。 不幸的是，Assimp不支持自动相邻计算，所以我们需要自己实现这样一个算法， 在编码部分，我们将回顾一个能够满足我们需求的简单算法。

轮廓算法本身的最佳选择是什么？ 请记住，我们需要在光矢量和三角正态之间做一个点积，以及三个相邻三角形的法线。 这需要我们访问整个模型信息， 所以VS还不够。 看起来GS更合适，因为它允许访问所有顶点。  幸运的是，OpenGL的设计人员已经给予了很多想法，并创建了一种称为“邻接三角形”的拓扑类型。 如果您提供具有邻接信息的顶点缓冲区，它将正确加载它，并为每个三角形提供GS顶点，而不是三个顶点。 附加的三个顶点属于相邻的三角形，不与当前三角形共享。 以下图像应该使这更清楚：

上图中的红色顶点属于原始三角形，蓝色的顶点是相邻的顶点（忽略边缘e1-e6，它们在代码部分稍后引用）， 当我们以上述格式提供顶点缓冲器时，对每个顶点（相邻和不相邻）执行VS，并且在包含三角形及其相邻顶点的六个顶点的组中执行GS（如果存在）。 当GS存在时，由开发人员提供输出拓扑，但是如果没有GS，则光栅化知道如何处理这种方案，并且仅光栅化实际的三角形（忽略相邻的三角形）。 如果在使用英特尔HD 3000的Macbook上产生了错误，或者如果遇到类似的问题，只需使用通过GS的通行证，或者更改拓扑类型。

请注意，顶点缓冲区中的相邻顶点与常规顶点具有相同的格式和属性，使它们相邻的只是它们在每组六个顶点内的相对位置。 在三角形连续的情况下，根据当前的三角形，相同的顶点有时会是规则的，有时是相邻的， 由于节省了顶点缓冲区中的空间，这使索引绘制更具吸引力。

源代码如下所示：

void Mesh::FindAdjacencies(const aiMesh* paiMesh, vector& Indices)
{ 
    for (uint i = 0 ; i < paiMesh->mNumFaces ; i++) {
        const aiFace& face = paiMesh->mFaces[i];

        Face Unique;

        // If a position vector is duplicated in the VB we fetch the 
        // index of the first occurrence.
        for (uint j = 0 ; j < 3 ; j++) { 
            uint Index = face.mIndices[j];
            aiVector3D& v = paiMesh->mVertices[Index];

            if (m_posMap.find(v) == m_posMap.end()) {
                m_posMap[v] = Index;
            }
            else {
                Index = m_posMap[v];
            } 

            Unique.Indices[j] = Index;
        }

        m_uniqueFaces.push_back(Unique);

        Edge e1(Unique.Indices[0], Unique.Indices[1]);
        Edge e2(Unique.Indices[1], Unique.Indices[2]);
        Edge e3(Unique.Indices[2], Unique.Indices[0]);

        m_indexMap[e1].AddNeigbor(i);
        m_indexMap[e2].AddNeigbor(i);
        m_indexMap[e3].AddNeigbor(i);
    }

代码如下所示：

for (uint i = 0 ; i < paiMesh->mNumFaces ; i++) { 
        const Face& face = m_uniqueFaces[i];

        for (uint j = 0 ; j < 3 ; j++) { 
            Edge e(face.Indices[j], face.Indices[(j + 1) % 3]);
            assert(m_indexMap.find(e) != m_indexMap.end());
            Neighbors n = m_indexMap[e];
            uint OtherTri = n.GetOther(i);

            assert(OtherTri != -1)

            const Face& OtherFace = m_uniqueFaces[OtherTri];
            uint OppositeIndex = OtherFace.GetOppositeIndex(e);

            Indices.push_back(face.Indices[j]);
            Indices.push_back(OppositeIndex); 
        }
    } 
}

实现轮廓监测的Shader代码如下所示：

(silhouette.vs)
#version 330

layout (location = 0) in vec3 Position; 
layout (location = 1) in vec2 TexCoord; 
layout (location = 2) in vec3 Normal; 

out vec3 WorldPos0; 

uniform mat4 gWVP; 
uniform mat4 gWorld; 

void main() 
{ 
    vec4 PosL = vec4(Position, 1.0);
    gl_Position = gWVP * PosL;
    WorldPos0 = (gWorld * PosL).xyz; 
}

(silhouette.gs)
#version 330

layout (triangles_adjacency) in;
layout (line_strip, max_vertices = 6) out;

in vec3 WorldPos0[];

void EmitLine(int StartIndex, int EndIndex)
{
    gl_Position = gl_in[StartIndex].gl_Position;
    EmitVertex();

    gl_Position = gl_in[EndIndex].gl_Position;
    EmitVertex();

    EndPrimitive();
}

uniform vec3 gLightPos;

void main()
{
    vec3 e1 = WorldPos0[2] - WorldPos0[0];
    vec3 e2 = WorldPos0[4] - WorldPos0[0];
    vec3 e3 = WorldPos0[1] - WorldPos0[0];
    vec3 e4 = WorldPos0[3] - WorldPos0[2];
    vec3 e5 = WorldPos0[4] - WorldPos0[2];
    vec3 e6 = WorldPos0[5] - WorldPos0[0];

    vec3 Normal = cross(e1,e2);
    vec3 LightDir = gLightPos - WorldPos0[0];

    if (dot(Normal, LightDir) > 0.00001) {

        Normal = cross(e3,e1);

        if (dot(Normal, LightDir) <= 0) {
            EmitLine(0, 2);
        }

        Normal = cross(e4,e5);
        LightDir = gLightPos - WorldPos0[2];

        if (dot(Normal, LightDir) <=0) {
            EmitLine(2, 4);
        }

        Normal = cross(e2,e6);
        LightDir = gLightPos - WorldPos0[4];

        if (dot(Normal, LightDir) <= 0) {
            EmitLine(4, 0);
        }
    }
}

实现的主要函数如下所示：

void RenderScene()
{
    // Render the object as-is
    m_LightingTech.Enable();

    Pipeline p;
    p.SetPerspectiveProj(m_persProjInfo);
    p.SetCamera(m_pGameCamera->GetPos(), m_pGameCamera->GetTarget(), m_pGameCamera->GetUp()); 
    p.WorldPos(m_boxPos);
    m_LightingTech.SetWorldMatrix(p.GetWorldTrans()); 
    m_LightingTech.SetWVP(p.GetWVPTrans()); 
    m_mesh.Render();

    // Render the object‘s silhouette
    m_silhouetteTech.Enable();

    m_silhouetteTech.SetWorldMatrix(p.GetWorldTrans()); 
    m_silhouetteTech.SetWVP(p.GetWVPTrans()); 
    m_silhouetteTech.SetLightPos(Vector3f(0.0f, 10.0f, 0.0f));

    glLineWidth(5.0f);

    m_mesh.Render(); 
}

如果您使用上述代码创建演示，您可能会注意到轮廓线周围的轻微变化。 原因是第二个渲染生成与原始网格边缘大致相同深度的线。 这导致一种被称为Z作为轮廓的像素现象，并且原始网格以不一致的方式彼此覆盖（再次，由于浮点精度）。 为了解决这个问题，我们调用glDepthFunc（GL_LEQUAL）来放宽深度测试。 这意味着如果第二个像素呈现在具有相同深度的先前像素的顶部，则最后一个像素总是优先。

3D轮廓检测技术讲解

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原文地址：http://blog.csdn.net/jxw167/article/details/65442831