rust/bevy使用points构造ConvexMesh

说在前面

操作系统：win11

rust版本：rustc 1.77.0-nightly

bevy版本：0.12

问题提出

在three.js中，可以通过使用ConvexGeometry从给定的三维点集合生成凸包(Convex Hull)

import { ConvexGeometry } from 'three/addons/geometries/ConvexGeometry.js';

例如：

const geometry = new ConvexGeometry( points );
const material = new THREE.MeshBasicMaterial( { color: 0x00ff00 } );
const mesh = new THREE.Mesh( geometry, material );
scene.add( mesh );

在这里插入图片描述

但是在bevy中如何实现呢？

Rapier

在当前bevy的版本中，并没有类似的实现，目前支持的shape也比three.js少：
- Box
- Capsule
- Circle
- Cube
- Cylinder
- Icosphere
- Plane
- Quad
- RegularPolygon
- Torus
- UVSphere
所以，如果要构造ConvexHull，只能借助第三方库（或者自己实现，可以参考three.js实现）
这里我们借助一个物理库rapier来实现
关于rapier
这里

具体实现

首先我们通过点集构造ConvexHull，rapier可以直接完成这一步：
```
let collider = Collider::convex_hull(&points);
```
但是该方法构造的是一个Collider，实际上是无法直接当成Mesh使用的

然后我们将其转换成ConvexPolyhedron

let convex = c.as_convex_polyhedron().unwrap();

该结构中包含一个凸包的所有属性，例如点、边、面等，事实上，它提供了一个方法，能够直接转换成TriangleMesh所需要的数据：

impl ConvexPolyhedron {
    /// Discretize the boundary of this convex polyhedron as a triangle-mesh.
    pub fn to_trimesh(&self) -> (Vec<Point3<Real>>, Vec<[u32; 3]>) {
        let mut indices = Vec::new();

        for face in self.faces() {
            let i1 = face.first_vertex_or_edge;
            let i2 = i1 + face.num_vertices_or_edges;
            let first_id = self.vertices_adj_to_face()[i1 as usize] as u32;

            for idx in self.vertices_adj_to_face()[i1 as usize + 1..i2 as usize].windows(2) {
                indices.push([first_id, idx[0] as u32, idx[1] as u32]);
            }
        }

        (self.points().to_vec(), indices)
    }
}

但是不包含normal数据，导致光照对其没有作用
在这里插入图片描述

所以我们需要自己实现一个相似的方法，首先我们来看看测试数据，实际上它有20个点，共12个面，每个面是一个正五边形，所以使用TriangleMesh来表达的话，一共是36个三角形

再让我们来看看bevy中构造一个TriangleMesh需要哪些数据：

fn create_simple_parallelogram() -> Mesh {
    // Create a new mesh using a triangle list topology, where each set of 3 vertices composes a triangle.
    Mesh::new(PrimitiveTopology::TriangleList)
        // 顶点数据
        .with_inserted_attribute(
            Mesh::ATTRIBUTE_POSITION,
            vec![[0.0, 0.0, 0.0], [1.0, 2.0, 0.0], [2.0, 2.0, 0.0], [1.0, 0.0, 0.0]]
        )
        // uv数据 在本文中我们并不需要
        .with_inserted_attribute(
            Mesh::ATTRIBUTE_UV_0,
            vec![[0.0, 1.0], [0.5, 0.0], [1.0, 0.0], [0.5, 1.0]]
        )
        // 法线
        .with_inserted_attribute(
            Mesh::ATTRIBUTE_NORMAL,
            vec![[0.0, 0.0, 1.0], [0.0, 0.0, 1.0], [0.0, 0.0, 1.0], [0.0, 0.0, 1.0]]
        )
        // 三角形的顶点索引
        .with_indices(Some(Indices::U32(vec![
            0, 3, 1,
            1, 3, 2
        ])))
}

对比我们需要的数据，以及to_trimesh方法，发现我们少了normal数据，不过这个数据在face中就有，那么所有条件就具备了

完整代码

let plist: Vec<f32> = vec![0., 3.568220853805542, 9.341723442077637, 5.773502826690674, 5.773502826690674, 5.773502826690674, -5.773502826690674, 5.773502826690674, 5.773502826690674, 3.568220853805542, 9.341723442077637, 0., -3.568220853805542, 9.341723442077637, 0., 9.341723442077637, 0., 3.568220853805542, 9.341723442077637, 0., -3.568220853805542, 5.773502826690674, 5.773502826690674, -5.773502826690674, 5.773502826690674, -5.773502826690674, -5.773502826690674, 0., -3.568220853805542, -9.341723442077637, 0., 3.568220853805542, -9.341723442077637, -5.773502826690674, -5.773502826690674, -5.773502826690674, -9.341723442077637, 0., -3.568220853805542, -5.773502826690674, 5.773502826690674, -5.773502826690674, -3.568220853805542, -9.341723442077637, 0., -5.773502826690674, -5.773502826690674, 5.773502826690674, -9.341723442077637, 0., 3.568220853805542, 0., -3.568220853805542, 9.341723442077637, 3.568220853805542, -9.341723442077637, 0., 5.773502826690674, -5.773502826690674, 5.773502826690674];
let points: Vec<Vec3> = plist
    .array_chunks()
    .into_iter()
    .map(|&v: &[f32; 3]| Vec3::from_array(v))
    .collect();
// 通过点集构造convex hull
let collider = Collider::convex_hull(&points);
if let Some(c) = collider {
    let convex = c.as_convex_polyhedron().unwrap();
    // 取convex hull的所有面
    let faces = convex.raw.faces();
    // 取点集
    let points = convex.raw.points();
    // 取映射关系
    let face_to_vertices = convex.raw.vertices_adj_to_face();
	
    let mut positions = Vec::new();
    // 法向量 用于处理光照
    let mut normals = Vec::new();
    let mut indices = Vec::new();
    // 遍历所有的面
    for face in faces {
        let i1 = face.first_vertex_or_edge;
        let i2 = i1 + face.num_vertices_or_edges;

        for idx in i1..i2 {
            let point = points[face_to_vertices[idx as usize] as usize];
            // 重新构造点集 points是原始点集
            positions.push([point.x, point.y, point.z]);
            // 面上的所有点的朝向与面相同
            normals.push([face.normal.x, face.normal.y, face.normal.z]);
        }

        for idx in i1 + 1..i2 - 1 {
        	// 构造顶点索引
            indices.push([i1, idx as u32, idx + 1 as u32]);
        }
    }
	// 构造Mesh
    let mesh = Mesh::new(PrimitiveTopology::TriangleList)
        .with_inserted_attribute(Mesh::ATTRIBUTE_POSITION, positions)
        .with_inserted_attribute(Mesh::ATTRIBUTE_NORMAL, normals)
        .with_indices(Some(Indices::U32(indices.concat())));

    commands.spawn(PbrBundle {
        mesh: meshes.add(mesh),
        material: materials.add(Color::rgb_u8(124, 144, 255).into()),
        transform: Transform::from_xyz(0.0, 1., 0.0).with_scale(Vec3::new(0.1, 0.1, 0.1)),
        ..default()
    });
}

结果(gif)

参考

ConvexGeometry

CodeBuug

rust/bevy使用points构造ConvexMesh

目录

说在前面

问题提出

Rapier

具体实现

参考