Unity3D 模板测试实现简单多边形描边（二）

多边形或轮廓等距离外扩或收缩

前两天刚刚用模板测试实现了平面的描边效果，详见Unity3D 模板测试实现平面描边（一），但是很快发现不支持不规则的多边形，如下图：

顶点在(0,0,0)点
凹多边形
凸多边形
看出问题来了吧，因为之前的算法是在对象空间中对三个轴向简单的乘以一个缩放系数

v2f vert (appdata v)
{
     v2f o;
     v.vertex.xyz *= _Expand;
     o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
     return o;
}

这就导致一个问题，就是离原点(0,0,0)越近缩放越小，越远缩放就越大，顶点为原点的就已经没有缩放了。等比例缩放可能并不是想要的效果，我们希望的是等距放大所产生的描边。于是笔者做了很多尝试，发现单独在shader中无法完成这样的工作，因为每个顶点都是独立的，是无法知道其他顶点的数据，如果有uv数据可能使用uv来确定顶点的位置也是一种办法，不过笔者没有深究了，有兴趣的读者可以尝试下这个方向，如果有结果的话，记得通知一下笔者啊。后来又google了下，发现Unity官方论坛有篇帖子提到eidtor模式下scene场景中选择对象的描边的问题，官方回复了实现了方法和代码，有老外将其改成了runtime模式下可以运行，于是下载demo下来，打开运行确实是可以的，但是移植过程中出问题了，搞了半天不知道什么情况，最后只好暂时放弃，尝试其他方案。
想来想去，也没有其他办法，最后想到一个笨办法，就是再复制一份mesh数据，将其等距放大，注意是等距放大，再利用模板测试，丢弃掉原模型大小的fragment（片元），留下的就是描边了。
好的，有了思路就有了方向，撸起来。
首先要解决等距的问题，还好已经有博主已经研究过这个问题，也给出了思路，见文首，大致思路是这样：

多边形的相邻两条边，L1和L2，交于Pi点
做平行于L1和L2，平行线间距是L的，并且位于多边形内部的两条边，交于Qi
我们要计算出Qi的坐标
PiQi向量，显然是等于平行四边形的两个相邻边的向量v1和v2的和的
而v1和v2向量的方向，就是组成多边形的边的方向，可以用顶点差来表示
v1和v2向量的长度是相同的，等于平行线间距d与两个线段夹角的sinα值的除法，sinα值可以利用叉乘计算得到。
即： Qi ＝ Pi ＋ (v1 + v2)

    sinα = |v1 × v2 | /(|v1|*|v2|)
    Qi = Pi + (v1 + v2)
    Qi = Pi + (d/sinα * Normalize(v1) + d/sinα * Normalize(v2))
    Qi = Pi + d/sinα * (Normalize(v1) + Normalize(v2))

计算步骤：
1、获取多边形顶点数组；
2、计算每个顶点的邻边向量；
3、单位化Normalize向量；
4、判定是否为凹点，Qi点的两邻边v1，v2的叉乘与Qi点的法向量是否同向，可以利用点积计算，同向为凹点；
5、sinα = |v1 × v2 |，这里再判定sinα的值是否为0,为0时两个邻边向量共线，可以忽略该点；
6、凹点：Qi = Pi - d/sinα (Normalize(v1) + Normalize(v2))；非凹点Qi = Pi - d/sinα (Normalize(v1) + Normalize(v2))。
7、将得到的等距扩大后的新顶点添加到列表，绘制多边形。

        ///PolygonScaler.cs
        Vector3[] vertices = mesh.vertices;
        Vector3[] normals = mesh.normals;

        //所有顶点做差，求得向量集
        for (int i = 0, length = vertices.Length; i < length; i++)
        {
            Vector3 v1 = vertices[i] - vertices[i == length - 1 ? 0 : i + 1];
            Vector3 v2 = vertices[i] - vertices[i == 0 ? length - 1 : i - 1];
            bool isConcave = Vector3.Dot(Vector3.Cross(v1, v2), normals[i]) < 0;//判定是否为凹点
            Debug.Log("v1:" + v1 + ",v2:" + v2 + "," + Vector3.Cross(v1, v2));
            vertor.Add(new AdjacentVector(v1.normalized, v2.normalized, isConcave));
        }
        for (int i = 0, length = vertices.Length; i < length; i++)
        {
            int startIndex = i == 0 ? length - 1 : i - 1;
            int endIndex = i;
            //利用叉乘求sinAlpha = |a x b|/|a||b| 这里a,b均为归一化的向量，长度为1，可以简化为sinAlpha = |a x b|
            Vector3 v1 = vertor[i].v1;
            Vector3 v2 = vertor[i].v2;
            float sinAlpha = Vector3.Cross(v1, v2).magnitude;
            if (sinAlpha > 0)//添加不共线的点到列表，忽略共线的点
            {
                //新的顶点是原顶点两条邻边方向所组成平行四边的对称点，所以新的顶点 p1 = p0 + d/sin * a + d/sin * b = p0 + d/sin *(a + b)
                sinAlpha = vertor[i].isConcave ? -sinAlpha : sinAlpha;//凹点要反向
                Vector3 point = vertices[i] + thickness / sinAlpha * (v1 + v2);
                scaleVertices.Add(point);
            }
        }
        _polygonDrawer.vertices = scaleVertices.ToArray();
        _polygonDrawer.Draw();

因为有了两个多边形，所以也需要两个材质球，将原来的shader拆分成两个shader，但是仍然使用模板测试来实现过滤。
第一个shader正常绘制图形之外，写入模板缓冲区值1

Shader "Custom/PolygonBase" {
Properties {
    _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
}

SubShader {
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    LOD 300

    Pass {
        //模板测试总是通过，并写入模板缓存区值为1
        Stencil
        {
            Ref 1
            Comp always
            Pass replace
            Fail keep
            ZFail keep
        }

        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #pragma target 2.0

        #include "UnityCG.cginc"

        struct appdata_t {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 texcoord : TEXCOORD0;
            UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
        };

        struct v2f {
            float4 vertex : SV_POSITION;
            float2 texcoord : TEXCOORD0;
            UNITY_FOG_COORDS(1)
            UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
        };

        sampler2D _MainTex;
        float4 _MainTex_ST;
        fixed4 _Color;

        v2f vert (appdata_t v)
        {
            v2f o;
            UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);
            UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);
            o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.texcoord = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
            return o;
        }

        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
        {
            fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.texcoord);
            col = col * _Color;
            UNITY_OPAQUE_ALPHA(col.a);
            return col;
        }
        ENDCG
    }
}
}

第二个shader用于绘制等距放大后的模型，并进行模板测试

Shader "Custom/PolygonOutline" {
Properties {
    _OutlineCol ("Outline Color", Color) = (0,1,0,1)
}

SubShader {
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    LOD 300
    Pass {
        //模板缓存区的值与1比较，不相同即测试失败，并保持缓存区的值不变
        Stencil
        {
            Ref 1
            Comp notequal
            Pass decrWrap
            Fail keep
            ZFail keep
        }

        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #pragma target 2.0

        #include "UnityCG.cginc"

        struct appdata {
            float4 vertex : POSITION;
        };

        struct v2f {
            float4 vertex : SV_POSITION;
        };

        fixed4 _OutlineCol;
        v2f vert (appdata v)
        {
            v2f o;
            o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            return o;
        }

        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
        {
            return _OutlineCol;
        }
    ENDCG
    }
}
}

好了，这些就是关键代码了，另外要注意复制出等距放大的多边形要跟原来的多边形位置保存一致，最好设置为原多边形的子节点。

凹多边形
正方形
凸多边形
设为无偏移的子节点

哪位朋友有更好的实现方式也记得告知一声笔者，笔者会非常感激的。
最后给出项目的地址：https://github.com/eangulee/PolygonOutline