在虚幻引擎4.26命令行程序中处理网格模型

准备/UE4设置

我们首先需要克服的一个小障碍是发布版的UE4无法生成命令行程序的可执行文件。因此，我们需要使用UE4源码版，一旦你加入 Epic Games GitHub组织，即可访问GitHub（单击说明链接 - 任何接受UE4许可协议的用户都可以免费获得）。本教程依赖UE4.26或更新的代码，因此建议你直接使用4.26 分支（ https://github.com/EpicGames/UnrealEngine/tree/4.26 ） （本教程还应支持在你阅读本文时已经正式发布的4.26分支）。

最简单的方法（在我看来）是使用"下载Zip"选项，该选项位于“代码”下拉按钮下（见下图）。下载并解压缩（这需要大约1.7GB的磁盘空间）。之后，你需要在解压后的根目录中运行Setup.bat 文件，该文件将下载另一个大约11GB的二进制文件，然后运行一个安装程序，安装后大约占据40GB空间。很不幸，没有更节约时间的办法了。不妨去喝杯咖啡吧！

作为参考，我创建的这个示例项目是基于引擎中包含的BlankProgram命令行项目（你可以在上图的列表中看到它）。这是一个最小的Hello-World示例程序，也是你开发任何基于UE的命令行项目（例如用于单元测试等）的一个很好的起点。为了使其正确工作，我唯一必须做的修改，是添加对GeometryProcessing插件中几个模块的引用，在CommandLineGeometryTest.Build.cs文件：

PrivateDependencyModuleNames.Add("GeometricObjects");
PrivateDependencyModuleNames.Add("DynamicMesh");

如果要在其他项目中使用这些模块，必须执行相同的步骤。请注意，引擎的许多模块并非直接就在命令行或“程序”目标类型中可用。例如，在BlankProgram中，UObject系统未初始化。所幸GeometryProcessing插件模块只对引擎有最低限度的依赖，并且插件内没有定义任何UObject的派生类，因此这个限制对本教程不是什么问题。（如果你需要初始化各种引擎系统或模块，请参阅SlateViewer程序）。

将文件放在正确的位置后，运行GenerateProjectFiles.bat文件。这将生成VisualStudio2019UE4.sln文件。哦，顺便说一下，如果你在Windows上，你可能要安装VisualStudio2019。如果你在Linux或OSX上，则上面提到的批处理文件有.command/.sh版本，本教程也应该能运行在这些平台上。（几何处理模块早已运行在了已发布的桌面、移动和主机平台游戏中！）

 

示例代码只包含几个文件，我们关心的所有代码都在CommandLineGeometrytest.cpp中。CommandLineGeometryTest.Build.csCommandLineGeometryTest.Target.cs是CommandLineGeometryTest工程的配置文件，而CommandLineGeometryTest.h则是空的。

由于几何处理模块不直接支持任何文件I/O，因此DynamicMeshOBJReader.h和DynamicMeshOBJWriter.h是读取/写入OBJ网格文件所必需的。OBJ Reader只是tinyobjloader库（https://github.com/tinyobjloader/tinyobjloader，源嵌入）的封装，用于构造一个FDynamicMesh3（我们将使用的网格类）。OBJ Writer是极简的，只包含最基础的功能。

CommandLineGeometryTest.cpp只包含#includes和main()函数，在不到150行代码里，我演示了法线计算、球体与立方体的生成、网格模型AABBTree生成和查询（最近交点和射线交点）、网格体附着、基于快速绕组数的重采样、隐式形态操作、网格简化、各向同性的网格重建、孔填充和布尔运算（两次）（是的，网格的布尔运算！！）

导入和属性

好了，让我们开始分块阅读代码。第一个部分只是读取网格，打印一些信息，并计算法线（只是提醒，正如我上面提到的，FDynamicMeshOBJReader不是UE4的一部分，这是示例代码中包含的类）。请注意对FDynamicMesh3的调用::ReverseOrientation()。这是否有必要取决于你的输入文件，但通常情况下，UE4使用左手坐标系，而大多数DCC工具都是右手系。这意味着，当导入UE4时，右手坐标系的网格将是“内外颠倒”的，也就是说网格上本应该正向/向外曲面的法线方向将错误地指向内侧。而如果我们在导入时调用ReverseOrientation()，在导出时再次反转，那么一切都会工作正常。

//importanOBJmesh.ThepathbelowisrelativetothedefaultpaththatVisualStudiowillexecuteCommandLineGeometryTest.exe,
//whenusinganormalUE4.26auto-generatedUE.slnfile.Ifthingschangeyoumightneedtoupdatethispath
FDynamicMesh3ImportMesh;
FDynamicMeshOBJReader::Read("..\\..\\Source\\Programs\\CommandLineGeometryTest\\HoleyBunny.obj",ImportMesh,true,true,true);
//fliptoUEorientation
ImportMesh.ReverseOrientation();

//printsomemeshstats
UE_LOG(LogBlankProgram,Display,TEXT("Meshhas%dvertices,%dtriangles,%dedges"),ImportMesh.VertexCount(),ImportMesh.TriangleCount(),ImportMesh.EdgeCount());
UE_LOG(LogBlankProgram,Display,TEXT("Meshhas%dnormals"),ImportMesh.Attributes()->PrimaryNormals()->ElementCount());
UE_LOG(LogBlankProgram,Display,TEXT("Meshhas%dUVs"),ImportMesh.Attributes()->PrimaryUV()->ElementCount());

//computeper-vertexnormals
FMeshNormals::QuickComputeVertexNormals(ImportMesh);

日志记录调用没有什么特别的，我只是想有一个地方来展示对Attributes()的调用，它返回一个FDynamicMeshAttributeSet。FDynamicMesh3的设计与Geometry3Sharp中的DMesh3非常相似，因此基本上也适用于FDynamicMesh3。然而，在UE的几何处理模块实现中额外增加了一个重要功能——支持任意属性集（AttributeSet），包括基于每个三角形索引的属性，这使得我们可以    表示    法线拆分和适当的UVisland/atlas/overlay（具体取决于你喜欢的术语）。通常，几何处理中的网格编辑操作（如网格边缘拆分/翻转/折叠、FDynamicMeshEditor、简化器和网格重建器、编辑    追踪等）可自动更新相应的属性集。

生成立方体网格

下一步是生成一个简单的立方体，我们将其附着在导入的兔子模型上数次。几何对象模块中的/Public/Generators/subfolder中有各种各样的网格生成器。FMinimalBoxMeshGenerator制作一个带12个三角面的立方体，稍后我们将使用FGridBoxMeshGenerator生成一个细分立方体。GeometryObjects模块还包括一个模板化的基本几何和矢量数学类型的库，通过typedef支持float单精度和double双精度。比如，FAxisAlignedBox3d是一个3D双精度轴对齐立方体，而FAxisAlignedBox2f是一个2D单精度矩形。对标准FVector/FBox等UE4类型的转换尽可能定义并实现（在安全的情况下支持隐式转换，否则通过强制转换）。但是，如果不是在声明时特别指定，默认几何处理库将使用双精度进行计算。

//generateasmallboxmeshtoappendmultipletimes
FAxisAlignedBox3dImportBounds=ImportMesh.GetBounds();
doubleImportRadius=ImportBounds.DiagonalLength()*0.5;
FMinimalBoxMeshGeneratorSmallBoxGen;
SmallBoxGen.Box=FOrientedBox3d(FVector3d::Zero(),ImportRadius*0.05*FVector3d::One());
FDynamicMesh3SmallBoxMesh(&SmallBoxGen.Generate());

你会注意到，几乎每个类型都使用"F"的前缀。这是一个UE4约定，通常所有结构    类型都使用F作为前缀。同样，这里的代码基本上遵循UE4编码标准（它包含的空格比我一般喜欢的要多很多，但就这样吧）。

生成AABBTree

这单行的FDynamicMeshAABBTree3的构造函数将自动生成AABBTree（可以通过可选参数禁用）。AABBTree结构相当快，通常没有理由使用其他可靠性不如它的东西（或者更加可怕地去使用线性搜索）。同样，复制FDynamicMesh3非常快，因为网格的存储不涉及每个元素指针，所以所有内容都位于块状数组中（请参阅TDynamicVector），可以进行内存块拷贝。最后，此代码创建一个FDynamicMeshEditor，它实现了许多常见的底层网格编辑操作。如果你需要做一些它不做的事情，通常最好尝试将问题分解为已经实现的操作，即使这会付出一些额外的成本，因为处理属性集更新是一件很“鸡毛”的事情。

//createabounding-boxtree,thencopytheimportedmeshandmakeanEditorforit
FDynamicMeshAABBTree3ImportBVTree(&ImportMesh);
FDynamicMesh3AccumMesh(ImportMesh);
FDynamicMeshEditorMeshEditor(&AccumMesh);

如果你要查看FDynamicMeshAABBTree3的代码，你会发现它只是TMeshAABBTree3<FDynamicMesh3>的一个typedef。这个AABBTree类只是一个基于不同网格类型的模板类，因为它只需要网格类型上几个函数而已。FTriangleMeshAdapterd结构可用于封装任何支持索引的网格模型到一个API中，使其与TMeshAABBTree3模板类协同工作，同理TMeshQueries<T>模板类也支持多种类型的通用网格模型的查询操作。

AABBTree查询

这个代码块内容很多，因为我们要做一些逻辑操作，但关键部分是调用FDynamicMeshAABBTree3::FindNearestTriangle()和FDynamicMeshAABBTree3::FindNearestHitTriangle()。这是AABBTree类上最常见的两个查询。请注意，在这两种情况下，查询仅返回整数三角形ID/索引，然后TMeshQueries<T>用于执行和返回FDistPoint3Triangle3d/FIntrRay3Triangle3d对象。这些类也可以直接使用。它们返回点到三角形距离查询或射线与三角形的求交等各类信息。几何处理中的距离和求交查询通常用这样的形式实现，计算对象存储任何有用的中间信息，否则这些信息可能会被丢弃。在某些情况下，FDistXY/FIntrXY类具有静态函数，这些函数将执行更简单的计算。AABBTree类还具有FindNearestPoint()辅助函数（但没有类似的射线    求交返回最近顶点的变体）。

//appendthesmallboxmeshabunchoftimes,atrandom-ishlocations,basedonaSphericalFibonaccidistribution
TSphericalFibonacci<double>PointGen(64);
for(int32k=0;k<PointGen.Num();++k)
{
   //pointonaboundingsphere
   FVector3dPoint=(ImportRadius*PointGen.Point(k))+ImportBounds.Center();

   //computethenearestpointontheimportedmesh
   doubleNearDistSqr;
   int32NearestTriID=ImportBVTree.FindNearestTriangle(Point,NearDistSqr);
   if(ImportMesh.IsTriangle(NearestTriID)==false)
       continue;
   FDistPoint3Triangle3dDistQueryResult=TMeshQueries<FDynamicMesh3>::TriangleDistance(ImportMesh,NearestTriID,Point);

   //computetheintersectionbetweentheimportedmeshandarayfromthepointtothemeshcenter
   FRay3dRayToCenter(Point,(ImportBounds.Center()-Point).Normalized());
   int32HitTriID=ImportBVTree.FindNearestHitTriangle(RayToCenter);
   if(HitTriID==FDynamicMesh3::InvalidID)
       continue;
   FIntrRay3Triangle3dHitQueryResult=TMeshQueries<FDynamicMesh3>::TriangleIntersection(ImportMesh,HitTriID,RayToCenter);

   //pickthecloserpoint
   boolbUseRayIntersection=(HitQueryResult.RayParameter<DistQueryResult.Get());
   FVector3dUsePoint=(bUseRayIntersection)?RayToCenter.PointAt(HitQueryResult.RayParameter):DistQueryResult.ClosestTrianglePoint;

   FVector3dTriBaryCoords=(bUseRayIntersection)?HitQueryResult.TriangleBaryCoords:DistQueryResult.TriangleBaryCoords;
   FVector3dUseNormal=ImportMesh.GetTriBaryNormal(NearestTriID,TriBaryCoords.X,TriBaryCoords.Y,TriBaryCoords.Z);

   //position/orientationtousetoappendthebox
   FFrame3dTriFrame(UsePoint,UseNormal);

   //appendtheboxviatheEditor
   FMeshIndexMappingsTmpMappings;
   MeshEditor.AppendMesh(&SmallBoxMesh,TmpMappings,
       [TriFrame](int32vid,constFVector3d&Vertex){returnTriFrame.FromFramePoint(Vertex);},
       [TriFrame](int32vid,constFVector3d&Normal){returnTriFrame.FromFrameVector(Normal);});
}

上面代码块中的最后一个调用通过FDynamicMeshEditor追加了我们在上面创建的SmallBoxMesh。两个lambda表达式将立方体网格的顶点和法线（以原点为中心）转换为与我们使用距离/射线求交得到的曲面位置和法线相对齐。这是通过FFrame3d完成的，它是在几何处理模块中大量使用的类。

TFrame3<T>是3D位置（称为.Origin）和方向（.Rotation），它表示为TQuaternion<T>，所以本质上就像一个标准的FTransform，没有任何缩放。但是，TFrame3类具有一个API，允许你将其视为一组位于空间中的3D正交轴。因此，X()、Y()和Z()函数返回三个轴。也有各种ToFrame()和FromFrame()函数（FVector3<T>必须区分点和矢量，但对于其他类型则存在不同函数重载）。ToFrame()将几何体映射到帧的局部坐标系。FromFrame()将帧中的点映射到其所在的“世界空间”（就该帧来说）中。因此，在上面的代码中，我们视立方体模型处在Frame坐标系中，并将其点和法线映射到网格表面上。

最后一点，上面使用的FFrame3d（点，法线）构造函数将创建一个帧，“Z”与“法线”对齐，而X轴和Y轴方向并没有唯一确定下来。在许多情况下，你可能希望构造具有特定切面平面轴的框架。有一个构造函数需要输入X/Y/Z轴，但更多的情况是，你有一个法线和另一个方向，不一定是正交的法线。在这种情况下，你可以使用Z=NORMAL来构造，然后使用::ConstrainedAlignAxis()函数，通过围绕Z旋转，将其他两帧轴之一（如轴X/0）与目标方向 对齐。

使用FastMeshWindingNumber“固化网格”

之前的几个Gradientspace教程[1][2]使用FastMeshWindingNumber可靠地计算网格上的点包含关系（即内部/外部测试）。FastMeshWindingNumber的实现在GeometryObjects模块中提供，如TFastWindingTree<T>其中T是FDynamicMesh3或网格适配器。此数据结构构建在TMeshAABBTree<T>之上。在下面的代码中，我们构造其中一个，然后使用TImplicitSolidify<T>对象生成新的网格。TImplicitSolidify将TFastWindingTree产生的内值/外值解释为隐式曲面（请参阅这一教程），并使用FMarchingCubes类为该隐式曲面生成三角形网格。

//makeanewAABBTreefortheaccumulatedmesh-with-boxes
FDynamicMeshAABBTree3AccumMeshBVTree(&AccumMesh);
//buildafast-winding-numberevaluationdatastructure
TFastWindingTree<FDynamicMesh3>FastWinding(&AccumMeshBVTree);

//"solidify"themeshbyextractinganiso-surfaceofthefast-windingfield,usingmarchingcubes
//(thisallhappensinsideTImplicitSolidify)
int32TargetVoxelCount=64;
doubleExtendBounds=2.0;
TImplicitSolidify<FDynamicMesh3>SolidifyCalc(&AccumMesh,&AccumMeshBVTree,&FastWinding);
SolidifyCalc.SetCellSizeAndExtendBounds(AccumMeshBVTree.GetBoundingBox(),ExtendBounds,TargetVoxelCount);
SolidifyCalc.WindingThreshold=0.5;
SolidifyCalc.SurfaceSearchSteps=5;
SolidifyCalc.bSolidAtBoundaries=true;
SolidifyCalc.ExtendBounds=ExtendBounds;
FDynamicMesh3SolidMesh(&SolidifyCalc.Generate());
//positionthemeshtotherightoftheimportedmesh
MeshTransforms::Translate(SolidMesh,SolidMesh.GetBounds().Width()*FVector3d::UnitX());

TImplicitSolidify代码相对简单，我们可以很容易地在这里直接使用FMarchingCubes。但是，你会发现几何处理模块中有许多这样的“辅助”类，如TImplicitSolidify。这些类减少了执行常见网格处理操作所需的步骤数，从而将 暴露某些参数的“处方”和/或用户界面变得更加方便。

网格形态操作和网格简化

现在，我们已经生成了一个由孔，兔子加上立方体组成的“固化”网格。下一步是对网格进行偏移。偏移可以直接在网格三角形上完成，但它也可以被视为形态操作，有时称为“扩张（Dilation）”（偏移量为负时为“侵蚀（Erosion）”）。也有更有趣的形态操作，如“开口（Opening）”（先侵蚀再扩张）和“封口（Closure）”（先扩张再侵蚀），这对于填充小孔和空洞特别有用。这些通常很难直接在网格上实现，但很容易使用TImplicitMorphology<T>类中的implicitsurface/level-set技术完成。与TImplicitSolidify类似，此类生成必要的数据结构，并使用FMarchingCubes生成输出网格。

//offsetthesolidifiedmesh
doubleOffsetDistance=ImportRadius*0.1;
TImplicitMorphology<FDynamicMesh3>ImplicitMorphology;
ImplicitMorphology.MorphologyOp=TImplicitMorphology<FDynamicMesh3>::EMorphologyOp::Dilate;
ImplicitMorphology.Source=&SolidMesh;
FDynamicMeshAABBTree3SolidSpatial(&SolidMesh);
ImplicitMorphology.SourceSpatial=&SolidSpatial;
ImplicitMorphology.SetCellSizesAndDistance(SolidMesh.GetCachedBounds(),OffsetDistance,64,64);
FDynamicMesh3OffsetSolidMesh(&ImplicitMorphology.Generate());

//simplifytheoffsetmesh
FDynamicMesh3SimplifiedSolidMesh(OffsetSolidMesh);
FQEMSimplificationSimplifier(&SimplifiedSolidMesh);
Simplifier.SimplifyToTriangleCount(5000);
//positiontotheright
MeshTransforms::Translate(SimplifiedSolidMesh,SimplifiedSolidMesh.GetBounds().Width()*FVector3d::UnitX());

操作后立方体网格通常非常密集，因此在之后简化网格是一种常见的模式。这可以使用FQEMSimplification在几行代码内完成，该类支持指定各种简化条件，当然除此以外还有其他网格简化器的实现，尤其是FAttrMeshSimplification支持法线和UV属性的叠加。

网格布尔运算    (！！！)

这是你一直在期待的时刻-网格布尔运算！在这里，我们首先使用FSphereGenerator和FGridBoxGenerator生成两个网格模型，然后使用FMeshBoolean得到球体和立方体的差集。FMeshBoolean构造函数对每个输入网格进行变换，但仅支持两个输入网格（它不是N路布尔）。如果要使用多个输入网格，必须使用重复的FMeshBoolean操作，但如果输入不相交，则首先使用FDynamicMeshEditor::AppendMesh()将它们组合起来进行运算会更加高效。

//generateaspheremesh
FSphereGeneratorSphereGen;
SphereGen.Radius=ImportMesh.GetBounds().MaxDim()*0.6;
SphereGen.NumPhi=SphereGen.NumTheta=10;
SphereGen.bPolygroupPerQuad=true;
SphereGen.Generate();
FDynamicMesh3SphereMesh(&SphereGen);

//generateaboxmesh
FGridBoxMeshGeneratorBoxGen;
BoxGen.Box=FOrientedBox3d(FVector3d::Zero(),SphereGen.Radius*FVector3d::One());
BoxGen.EdgeVertices=FIndex3i(4,5,6);
BoxGen.bPolygroupPerQuad=false;
BoxGen.Generate();
FDynamicMesh3BoxMesh(&BoxGen);

//subtracttheboxfromthesphere(theboxistransformedwithintheFMeshBoolean)
FDynamicMesh3BooleanResult;
FMeshBooleanDifferenceOp(
   &SphereMesh,FTransform3d::Identity(),
   &BoxMesh,FTransform3d(FQuaterniond(FVector3d::UnitY(),45.0,true),SphereGen.Radius*FVector3d(1,-1,1)),
   &BooleanResult,FMeshBoolean::EBooleanOp::Difference);
if(DifferenceOp.Compute()==false)
{
   UE_LOG(LogGeometryTest,Display,TEXT("BooleanFailed!"));
}
FAxisAlignedBox3dBooleanBBox=BooleanResult.GetBounds();
MeshTransforms::Translate(BooleanResult,
   (SimplifiedSolidMesh.GetBounds().Max.X+0.6*BooleanBBox.Width())*FVector3d::UnitX()+0.5*BooleanBBox.Height()*FVector3d::UnitZ());

请注意，网格布尔运算不是100%可靠。下面我将展示如何（尝试）修复故障。

网格重建

接下来，我们将对布尔结果应用一个各向同性三角形重建的操作。如果你计划进行进一步的网格处理（如变形/平滑/等），这是一个标准步骤，因为网格布尔的输出的三角形大小/密度的变化范围很大（这约束了网格移动方式）和可能导致各种问题的SilverTriangles。标准做法是使用FRemesher并在整个网格模型上运行一系列的操作。下面我使用了FQueueRemesher，它产生几乎相同的结果，但它不用每次都处理全部网格模型，而是使用一个“激活队列”不断追踪需要处理的网格。它的速度通常会明显更快（尤其是在大型网格上）。

//makeacopyofthebooleanmesh,andapplyRemeshing
FDynamicMesh3RemeshBoolMesh(BooleanResult);
RemeshBoolMesh.DiscardAttributes();
FQueueRemesherRemesher(&RemeshBoolMesh);
Remesher.SetTargetEdgeLength(ImportRadius*0.05);
Remesher.SmoothSpeedT=0.5;
Remesher.FastestRemesh();
MeshTransforms::Translate(RemeshBoolMesh,1.1*RemeshBoolMesh.GetBounds().Width()*FVector3d::UnitX());

我在之前的G3Sharp教程中介绍了各向同性网格重建的基本知识。该教程基本上直接适用于UE4的几何模型处理模块的实现，包括类型和字段名称（不要忘记添加F）。但是，UE4版本的能力要更胜一筹，例如FQueueRemesher的速度要快得多，而且还有FSubRegionRemesher可以重建网格的一部分。

关于上面代码有两个注意点。首先，我没有使用投影目标(projectiontarget)，因此球体与立方体的差集上清晰的边缘将被平滑。设置投影目标只需要几行，搜索引擎代码中FMeshProjectionTarget的任何用法。其次，在制作上面的网格副本后，我做的第一件事是调用RemeshBoolMesh.DiscardAttributes()。此调用从网格中删除所有三角形上叠加的属性层，特别是UV和法线层。Remeshers确实支持对每个三角形上叠加的属性进行重建，但它更为复杂，因为这些属性具有必须保留的其他拓扑约束。使用函数FMeshConstraintsUtil::ConstrainAllBoundariesAndSeams()可用于或多或少自动化设置这一切，但即使只是调用这个函数都有些小复杂，所以我想我会在未来的教程中来探讨这一话题（如果你想看一个例子，可以搜索FRemeshMeshOp）。

孔填充和布尔故障处理