HoloLens MRTK模型切割算法解析

皮皮#2500

已于 2022-06-13 11:16:27 修改

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分类专栏： HoloLens 文章标签：算法 hololens 线性代数

于 2020-10-20 21:06:20 首次发布

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HoloLens MRTK模型切割算法解析

脚本解析

例程中主要用到的脚本有位于Assets/MRTK/Core/Utilities/StandardShader路径下的ClippingPlane.cs、ClippingBox.cs、ClippingSphere.cs、ClippingPrimitive.cs（继承关系），位于Assets/MRTK/Core/StandardAssets/Shaders路径下的MixedRealityStandard.shader着色器，以及位于Assets/MRTK/Core/StandardAssets/Shaders路径下的MixedRealityShaderUtils.cginc。它们三个的关系如下：
在这里插入图片描述
清晰框图及注释见：https://download.youkuaiyun.com/download/qq_41452267/12986383

算法实现

面切割算法：对于心脏模型的每一个片元，在世界坐标系下，使用平面的法线向量n与平面中心点到待渲染点的方向向量d做点乘。根据计算结果的正负号将模型划分为平面的内侧和外侧两部分。
球切割算法：对于心脏模型的每一个片元，计算其到球心的距离，如果小于半径，则位于内侧，反之，位于外侧。
立方体切割算法：对于心脏模型的每一个片元，将片元坐标变换到立方体的模型坐标系下得到坐标position，用position的每个坐标分量取绝对值再减去立方形大小。最终得到的坐标中最大值大于零的，说明在立方体外，最大值小于零的说明在立方体内。

修改shader实现不同的功能

修改Clipping Plane裁剪的范围

在原工程中，Clipping Plane会将整个空间一分为二，空间的一侧被切割，另一侧不被切割。
需求：希望Clipping Plane根据自身范围进行切割，只有接触到的部分被切割，未接触到的部分不予切割，效果如下图：
在这里插入图片描述
实现方法
①在场景中修改变量至合适大小，默认大小为1米x1米。这里设置切片为0.5米

①在ClippingPlane.cs文件中声明变量，并获取切片信息
在这里插入图片描述

③在着色器MixedRealityStandard.shader中调用变量和函数，函数定义在MixedRealityShaderUtils.cginc文件中：
MixedRealityStandard.shader如下：

primitiveDistance = min(primitiveDistance, PointVsPlanePart(i.worldPosition.xyz, _ClipPlane, _ClipPlanePosition, _ClipPlaneUp, _ClipPlaneRight, _ClipPlaneForward) * _ClipPlaneSide);

MixedRealityShaderUtils.cginc定义函数如下：
在这里插入图片描述

//部分截取,返回值为负时显示，为正时不显示
inline float PointVsPlanePart(float3 worldPosition, float4 plane,float3 planeRawPosition,float3 planeUp, float3 planeRight, float3 planeForward)
{      
    float3 planePosition = plane.xyz * plane.w;
    float3 distance = worldPosition - planeRawPosition;//计算面片与平面中心坐标差
    float x = dot(distance, planeRight);//计算面片在平面坐标系下的x y值
    float z = dot(distance, planeForward);
    float y = dot(distance, planeUp);
    if (y<0 || z<-0.25 || z>0.25 || x<-0.25 || x>0.25)
        return -0.2;//超过面片范围显示显示
    else
        return 0.2;//不显示
    //return dot(worldPosition - planePosition, plane.xyz);//plane.xyz是平面法向量
}

修改模型透明度

需求：原始可切割模型默认为不透明渲染模式，希望调整模型为半透明可切割，且透明度可调整。
①创建材质球，选择着色器为mixedrealitytoolkit/Standard（这里最好自己创一个新的shader，否则很多场景都将无法正常显示），选择Rendering Mode为Transparent
在这里插入图片描述
②在MixedRealityStandard.shader中（或者是自己创建的shader），修改最终的output如下：

                // Perform non-alpha clipped primitive clipping on the final output.
#if defined(_CLIPPING_PRIMITIVE) && !defined(_ALPHA_CLIP)
                //output *= saturate(primitiveDistance * (1.0f / _BlendedClippingWidth));//saturate函数将返回值限制在0-1之间
                if (primitiveDistance > 0) {
                    output.a = 0.3;
                }
                else {
                    output *= 0;
                }
                
#endif
                return output;
            }

            ENDCG
        }

output.a即是调整透明度的地方。

多个ClippingPrimitive对同一个模型进行切割

By default only one ClippingPrimitive can clip a renderer at a time. If your project requires more than one ClippingPrimitive to influence a renderer the sample code below demonstrates how to achieve this.

Two different ClippingPrimitives clip a render

How to have two different ClippingPrimitives clip a render. For example a ClippingSphere and ClippingBox at the same time:

// Within MRTK/Core/StandardAssets/Shaders/MixedRealityStandard.shader (or another MRTK shader) change:

#pragma multi_compile _ _CLIPPING_PLANE _CLIPPING_SPHERE _CLIPPING_BOX

// to:

#pragma multi_compile _ _CLIPPING_PLANE
#pragma multi_compile _ _CLIPPING_SPHERE
#pragma multi_compile _ _CLIPPING_BOX

Two of the same ClippingPrimitives clip a render

How to have two of the same ClippingPrimitives clip a render. For example two ClippingBoxes at the same time:

// 1) Add the below MonoBehaviour to your project:

[ExecuteInEditMode]
public class SecondClippingBox : ClippingBox
{
    /// <inheritdoc />
    protected override string Keyword
    {
        get { return "_CLIPPING_BOX2"; }
    }

    /// <inheritdoc />
    protected override string ClippingSideProperty
    {
        get { return "_ClipBoxSide2"; }
    }

    /// <inheritdoc />
    protected override void Initialize()
    {
        base.Initialize();

        clipBoxSizeID = Shader.PropertyToID("_ClipBoxSize2");
        clipBoxInverseTransformID = Shader.PropertyToID("_ClipBoxInverseTransform2");
    }
}

// 2) Within MRTK/Core/StandardAssets/Shaders/MixedRealityStandard.shader (or another MRTK shader) add the following multi_compile pragma:

#pragma multi_compile _ _CLIPPING_BOX2

// 3) In the same shader change:

#if defined(_CLIPPING_PLANE) || defined(_CLIPPING_SPHERE) || defined(_CLIPPING_BOX)

// to:

#if defined(_CLIPPING_PLANE) || defined(_CLIPPING_SPHERE) || defined(_CLIPPING_BOX) || defined(_CLIPPING_BOX2)

// 4) In the same shader add the following shader variables:

#if defined(_CLIPPING_BOX2)
    fixed _ClipBoxSide2;
    float4 _ClipBoxSize2;
    float4x4 _ClipBoxInverseTransform2;
#endif

// 5) In the same shader change:

#if defined(_CLIPPING_BOX)
    primitiveDistance = min(primitiveDistance, PointVsBox(i.worldPosition.xyz, _ClipBoxSize.xyz, _ClipBoxInverseTransform) * _ClipBoxSide);
#endif

// to:

#if defined(_CLIPPING_BOX)
    primitiveDistance = min(primitiveDistance, PointVsBox(i.worldPosition.xyz, _ClipBoxSize.xyz, _ClipBoxInverseTransform) * _ClipBoxSide);
#endif
#if defined(_CLIPPING_BOX2)
    primitiveDistance = min(primitiveDistance, PointVsBox(i.worldPosition.xyz, _ClipBoxSize2.xyz, _ClipBoxInverseTransform2) * _ClipBoxSide2);
#endif

Finally, add a ClippingBox and SecondClippingBox component to your scene and specify the same renderer for both boxes. The renderer should now be clipped by both boxes simultaneously.

详情见：https://microsoft.github.io/MixedRealityToolkit-Unity/Documentation/Rendering/ClippingPrimitive.html