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游戏开发进阶Unity网格(Mesh\动态合批\骨骼动画\蒙皮)

作者：林新发

本篇文章是进阶篇文章主要讲解游戏开发进阶，主要包含的技术有Mesh，动态合批，骨骼动画，蒙皮下面一起进入Unity网格探险之旅吧

一、前言

嗨，大家好，我是新发。
有同学私信我让我写一篇Unity网格相关的教程，

在这里插入图片描述

那我就带大家来一次Unity的网格探险之旅吧~

二、Hello Mesh

我背着旅行背包走在Unity的场景中，突然眼前出现了一棵树，

在这里插入图片描述

我走近一看，这棵树身上挂着MeshFilter和MeshRenderer组件，根据Unity探险手册记载，这个MeshFilter是网格过滤器，它会引用一个网格资源，我顺腾摸瓜，找到了对应的网格，

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实在太美了，我久久伫立，这就是网格啊！
正当我欣赏着网格三角形时，突然世界暗了下来，眼前出现了一团火，

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我又拿出了Unity探险手册，啊，这一定就是粒子系统了！它可以动态生成网格。

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天外传来一阵打字声，场景中出现了一行看起来像文字的网格，作为一个具有多年Hello World经验的程序员，我看出了第一个单词应该是Hello，第二个单词…我知道了，

在这里插入图片描述

是Hello Mesh！

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（此处为震撼人心的入场音乐）

三、萌新初识Mesh

1、引擎内置的Mesh

网格的英文名是Mesh，Unity萌新最先接触的网格应该就是引擎内置的Cube（正方体）、Capsule（胶囊体）、Cylinder（圆柱体）、Plane（平面）、Sphere（球体）、Quad（四边形），如下

在这里插入图片描述

事实上，我们在Unity场景中，所有能被渲染出来的物体都会带有网格，比如3D模型、粒子特效、UI、文字等等。

2、Mesh是什么

从概念上讲，网格是图形硬件用来绘制复杂内容的构造。它至少包含一组定义3D空间中点的顶点，以及一组连接这些点的三角形，实际上还包含法线、顶点颜色纹理坐标等信息，这些三角形构成了网格所代表的任何表面。

我们可以看下Unity的Mesh类，Mesh的属性和方法很多，我这里列举几个比较常用的，如下

// 顶点坐标数组
public Vector3[] vertices { get; set; }
// 法线向量数组
public Vector3[] normals { get; set; }
// 顶点颜色数组
public Color[] colors { get; set; }
// 三角形序列数组，每三个数字为一组
public int[] triangles { get; set; }
// uv坐标数组
public Vector2[] uv { get; set; }
// 重新计算法线，在修改完顶点后，通常会更新法线来反映新的变化，注意，法线是根据共享的顶点计算出来的。
public void RecalculateNormals();
// 从法线和纹理坐标重新计算网格的切线。修改网格的顶点和法线之后，如果网格使用引用法线贴图的着色器进行渲染，则切线需要更新。 
public void RecalculateTangents();
// 重新计算从网格包围体的顶点, 在修改顶点后需要这个函数以确保包围体是正确的，赋值三角形将自动重新计算这个包围体。
public void RecalculateBounds();

画个图，方便大家有个直观印象，

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三、Mesh的创建方式

1、第三方建模软件

建模本质上就是建网格，我们可以事先通过第三方建模软件来创建模型网格，

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常见的建模软件比如

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3DS MAX官网：https://www.autodesk.com/products/3ds-max/overview

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MAYA官网：https://www.autodesk.com/products/maya/overview

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blender官网：https://www.blender.org/

2、Unity建模插件：ProBuilder

Unity官方提供了一个可以用来创建和自定义几何体的工具ProBuilder，我们可以在Unity的Package Manager中下载到这个插件，

在这里插入图片描述

使用ProBuilder我们可以直接在Unity中创建或编辑简单的几何体，不用通过第三方建模软件，提升了效率，方便快速搭建场景原型，

在这里插入图片描述

3、程序动态生成网格

网格也可以是程序动态生成的，比如粒子系统的网格就是动态生成的，

在这里插入图片描述

又比如文字，也是程序动态生成网格，

在这里插入图片描述

文章后面我还会手把手教你如何使用纯代码来构建网格，这里先不急着写代码，我们继续探寻网格的秘密先~

四、Unity中如何显示网格

在Unity中，我们要显示一个网格，需要用到两个组件：MeshFilter和MeshRenderer。

注：你也可以直接使用SkinnedMeshRenderer组件，与MeshFilter和MeshRenderer的区别我下文会讲。

1、MeshFilter：网格过滤器

MeshFilter是网格过滤器，我们需要通过它设置引用的网格资源，比如这里引用的是一个Cube（正方体）网格。

在这里插入图片描述

我们可以看下MeshFilter.cs的源码，

[RequireComponent(typeof(Transform))]
[NativeHeader("Runtime/Graphics/Mesh/MeshFilter.h")]
public sealed partial class MeshFilter : Component
{
    [RequiredByNativeCode]  // MeshFilter is used in the VR Splash screen.
    private void DontStripMeshFilter() {}

    extern public Mesh sharedMesh { get; set; }
    extern public Mesh mesh {[NativeName("GetInstantiatedMeshFromScript")] get; [NativeName("SetInstantiatedMesh")] set; }
}

MeshFilter只有两个属性：mesh和sharedMesh，
我们查看Unity的官方手册，看看mesh与sharedMesh的区别：https://docs.unity3d.com/ScriptReference/MeshFilter.html

在这里插入图片描述

我来解读一下，mesh访问的是一个Mesh资源的实例（副本），这意味着我们修改这个mesh并不会修改到原始资源本身，改的只是Mesh的实例（副本）。
而sharedMesh是原始资源的引用，如果修改了sharedMesh，比如修改顶点坐标，那么原始资源也会被修改。
画成图大概是这样子：

在这里插入图片描述

这里我顺手写个随机修改Mesh顶点坐标的脚本，如下，将下面这个RandoMeshmVertices脚本挂到MeshFilter组件所在的物体上即可，

// RandoMeshmVertices.cs
// 随机修改Mesh顶点坐标
using UnityEngine;
public class RandoMeshmVertices: MonoBehaviour
{
    // Mesh的实例
    MeshFilter meshFilter;
    // 顶点的原始坐标
    Vector3[] originalVertices;
    void Start()
    {
        meshFilter = GetComponent<MeshFilter>();
        originalVertices = meshFilter.mesh.vertices;
    }
    void Update()
    {
        // 随机修改顶点坐标
        Vector3[] vertices = meshFilter.mesh.vertices;
        for (int i = 0, len = originalVertices.Length; i < len; ++i)
        {
            var v = originalVertices[i];
            vertices[i] = v + Random.Range(-0.1F, 0.1F) * Vector3.one;
        }
        meshFilter.mesh.vertices = vertices;
        meshFilter.mesh.RecalculateNormals();
    }
}

运行效果如下，网格顶点坐标发生了随机偏移，

在这里插入图片描述

关于mesh属性的访问需要特别注意一下，我们先看看Unity官方手册的说明，https://docs.unity3d.com/ScriptReference/MeshFilter-mesh.html

在这里插入图片描述

翻译一下就是，如果一个Mesh资源已经被分配给MeshFilter的mesh属性，那么当我们在代码中第一次访问mesh属性时才正真创建了Mesh的实例；再次访问mesh属性时则直接返回这个实例，并且一旦mesh属性被访问，则与原始共享网格的链接会丢失，此时sharedMesh变成mesh的别名，如果我们想避免这种自动生成Mesh实例，可以使用sharedMesh代替。
写成伪代码的话大致是这样子：

public class MeshFilter ...
{
	...
	private Mesh _mesh;
	public Mesh mesh
	{
		get
		{
			if (_mesh == null) 
			{
				_mesh = new Mesh();
				Copy(sharedMeh, _mesh);
			}
			return _mesh;
		}
	}
	...
}

还有，如果我们访问了mesh属性而导致自动创建了Mesh实例，则需要在代码中主动调用Resources.UnloadUnusedAssets来销毁没有引用的Mesh实例，建议是在场景切换时调用Resources.UnloadUnusedAssets。

2、MeshRenderer：网格渲染器

MeshRenderer，顾名思义，网格渲染器。我们依旧先来看看官方手册的介绍：

https://docs.unity3d.com/Manual/class-MeshRenderer.html

在这里插入图片描述

翻译过来就是MeshRenderer会从MeshFilter那里拿到网格数据并在所在物体的位置处将其渲染出来。
如果没有MeshRenderer，我们就看不见网格了，如下

在这里插入图片描述

另外，我们还需要在MeshRenderer的Materials中指定一个材质球，这样才能正常显示，否则模型表面就是紫色的。

在这里插入图片描述

3、SkinnedMeshRenderer：蒙皮网格渲染器

SkinnedMeshRenderer是蒙皮网格渲染器，可能有小伙伴就会问了，上面使用MeshFilter和MeshRenderer已经可以显示模型网格了，为什么又弄了一个SkinnedMeshRenderer呢？
看下Unity官方手册的介绍：https://docs.unity3d.com/Manual/class-SkinnedMeshRenderer.html

在这里插入图片描述

可以看到SkinnedMeshRenderer其实是针对带 骨骼动画 的模型的渲染的。

3.1 骨骼动画

为什么需要做骨骼动画呢？

就好比我们人一样，我们的骨骼会随着我们肌肉的伸缩而动，骨骼又可以带动它管辖的身体部位发生形变和移动，骨骼还会影响它所连接的其他骨骼一起发生联动。对应到模型动作上，想想一个简单的举手动作要牵涉到多少网格顶点的移动，如果没有骨骼，那动画师要每帧挨个网格顶点进行调整，即使动画做出来了，这个动画也不能复用到其他模型上，因为不同模型的顶点信息都不一样，这么低效的动画制作肯定是不行的，于是，就有了骨骼动画。

骨骼动画的原理

就是将模型分为骨骼（Bone）和蒙皮（Mesh）两个部分，骨骼可分为多层父子骨骼，每个骨骼都附加到周围网格的一些顶点上，在动画关键帧数据的驱动下，计算出各个父子骨骼的位置，基于骨骼的控制通过顶点混合动态计算出蒙皮网格的顶点。

动画师可以在MAYA软件上给模型绑定骨骼，绑定骨骼不是本文的重点，这里就不展讲开具体操作了，感兴趣的同学可以自行百科学习。

制作好导出为fbx格式，

在这里插入图片描述

将fbx文件导入到Unity中，选中它，

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在Inspector视图中点击Rig按钮，

在这里插入图片描述

我们可以看到动画类型Animation Type有None、Legacy、Generic和Humanoid四个，

在这里插入图片描述

具体选项可以参见Unity官方手册：https://docs.unity3d.com/Manual/FBXImporter-Rig.html

在这里插入图片描述

我这里演示一下人形骨骼动画，选择Humanoid类型，Avatar Definition选择Create From This Model，然后点击Configure，

在这里插入图片描述

在Inspector视图中我们就可以看到对应的骨骼绑定信息了，

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如下，绿色的线段就是一根根骨骼，

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我们调整一根骨骼，对应的网格也会跟着一起动，如下

在这里插入图片描述

这样做出来的人形动画是可以进行复用了，有请妹子上场，

在这里插入图片描述

骨骼动画资源的话，我在之前的文章中也介绍过一个宝藏网站Mixamo：https://www.mixamo.com/，上面有很多做好的人形骨骼动画，

看，是不是挺好玩的，

我们可以把它的动作直接复用到我们自己的人形模型上，效果如下：



3.2 SkinnedMeshRenderer组件

骨骼动画可以正常播放，要归功于SkinnedMeshRenderer组件，制作好骨骼动画的fbx文件导入Unity中，Unity会自动帮我们挂上SkinnedMeshRenderer组件，

在这里插入图片描述

其中几个重要的属性我讲一下，
Bounds：骨骼数据；
Mesh：要渲染的网格；
Root Bone：根骨骼，其他骨骼都是相对根骨骼移动的；
BlendShapes：一般用于制作表情融合，我之前写过一篇文章讲过BlendShapes：

Unity通过BlendShape实现面部表情过渡切换Animation教程

我们再来看看SkinnedMeshRenderer脚本的属性和方法：

在这里插入图片描述

需要讲的应该就是这个BakeMesh方法了，下面我就单独拎出来讲下BakeMesh。

3.2 使用BakeMesh进行优化

假设现在场景中有100只皮卡丘，每只皮卡丘的网格、贴图、动作相同，

在这里插入图片描述

如果每只皮卡丘身上都挂SkinnedMeshRenderer，那就是100个SkinnedMeshRenderer在计算蒙皮，

在这里插入图片描述

由于SkinnedMeshRenderer是根据骨骼动画动态计算网格顶点坐标，这个运算开销还是不小的，有没有办法优化呢？

SkinnedMeshRenderer提供了一个BakeMesh方法，可以将一个蒙皮动画的某个时间点上的动作，Bake成一个不带蒙皮的Mesh，我们统一使用这个Mesh来显示其余的皮卡丘，这样就可以大大减少了SkinnedMeshRenderer的计算了，
画成图大概是这样子：

在这里插入图片描述

不过，上面这种方案的局限性是每只皮卡丘的动画是相同的，如果突然某一只皮卡丘要播放与其他皮卡丘不同的动画，那就不行了。

另一种Bake方案可以是这样：
对皮卡丘的每个动画进行遍历采样，把采样到的Mesh存到数组中，因为这里要Bake很多网格，比较耗时，建议在加载场景时时就完成采样过程；后面要播放某个动画时直接从这个Mesh数组中获取Mesh来显示，此时直接使用MeshFilter加MeshRenderer的方式来显示网格就好了。
贴个BakeMesh的示例脚本：

using UnityEngine;
using System.Collections.Generic;
/// <summary>
/// Bake Mesh 示例
/// </summary>
public class BakeMeshTest : MonoBehaviour
{
    [SerializeField]
    Animation m_animation;
    [SerializeField]
    SkinnedMeshRenderer m_skinnedMeshRenderer; 
    [SerializeField]
    string m_clipToBake = "Idle";
    List<Mesh> m_bakedMeshList = new List<Mesh>();
    /// <summary>
    /// 采样帧数
    /// </summary>
    [SerializeField]
    int m_numFramesToBake = 30;
    void Start()
    {
        // 获取要Bake的动画片段
        AnimationState clipState = m_animation[m_clipToBake];
        if (clipState == null)
        {
            Debug.LogError(string.Format("Unable to get clip '{0}'", m_clipToBake), this);
            return;
        }
        // 开始播放动画
        m_animation.Play(m_clipToBake, PlayMode.StopAll);
        // 设置动画初始时间戳
        clipState.time = 0.0f;
        // 采样帧间隔
        float deltaTime = clipState.length / (float)(m_numFramesToBake - 1);
        for (int frameIndex = 0; frameIndex < m_numFramesToBake; ++frameIndex)
        {
            string frameName = string.Format("BakedFrame{0}", frameIndex);
            // 创建Mesh
            Mesh frameMesh = new Mesh();
            frameMesh.name = frameName;
            // 动画采样
            m_animation.Sample();
            // 执行BakeMesh
            m_skinnedMeshRenderer.BakeMesh(frameMesh);
            m_bakedMeshList.Add(frameMesh);
            // 设置动画时间戳
            clipState.time += deltaTime;
        }
        // 停止播放动画
        m_animation.Stop();
    }

}

需要提醒的是，这个方案是利用空间换时间，如果模型顶点数据特别多或动画时长特别长的时候，这时就会遇到内存瓶颈。

五、纯代码动态创建网格

一般情况下，网格是事先制作好的资源，但也有一些特殊的需求需要在代码中动态创建网格。
比如我之前写的一篇牙齿碎了的文章：

游戏开发Unity2D图片任意形状破碎裂片效果展示

现在我来教大家如何使用代码从零创建网格并将网格渲染出来，下文我以创建一个正方形网格为例进行讲解。

1、创建Mesh对象

第一步最简单，就是直接new一个Mesh，

var mesh = new Mesh();

2、顶点坐标

首先分析一下，一个四边形有四个顶点，假设正方形边长为1，四个点的坐标如下，

在这里插入图片描述

写成代码就是这样：

// 构建顶点坐标
var vertices = new List<Vector3>();
vertices.Add(new Vector3(-0.5f, -0.5f, 0));
vertices.Add(new Vector3(-0.5f, 0.5f, 0));
vertices.Add(new Vector3(0.5f, 0.5f, 0));
vertices.Add(new Vector3(0.5f, -0.5f, 0));
// 将顶点坐标设置给Mesh
mesh.SetVertices(vertices);

3、UV坐标

UV坐标就是纹理贴图坐标，它将纹理上每一个点精确对应到模型物体的表面上，注意U和V的取值范围是0~1。
UV坐标系原点在左下角，U轴是水平轴，V轴是竖直轴，如下：

在这里插入图片描述

对应到我们的上面那个正方向网格的话，四个点的UV坐标如下：

在这里插入图片描述

写成代码就是这样：

// 构建UV坐标
var uvs = new List<Vector2>();
uvs.Add(new Vector2(0, 0));
uvs.Add(new Vector2(0, 1));
uvs.Add(new Vector2(1, 1));
uvs.Add(new Vector2(1, 0));
// 将UV坐标设置给Mesh
mesh.SetUVs(0, uvs);

4、三角形序列

网格需要切分成三角形，我们可以这样切分，

在这里插入图片描述

当然也可以这样切分，

在这里插入图片描述

两种切分方法对应不同的三角形序列，假设 法线方向 是垂直于屏幕从内指向屏幕外的话，第一种切分方式的三角形序列如下：

注：法线的方向就决定了表面正面，如果你的材质是单面渲染的话，那么只有从正面看才能看到网格被渲染。

在这里插入图片描述

即三角形序列为：{ 0, 1, 2, 0, 2, 3 }，注意序号是从0开始的。
为什么是这样的顺序呢？我教大家一个技巧，伸出你的左手，竖起大拇指，像这样子，

在这里插入图片描述

大拇指指向法线的方向，那么此时你的其余四根手指头环绕的方向就是三角形的序号的顺序，三个序号为一组按顺序塞入数组中即可，即得到的数组就是：{ 0, 1, 2, 0, 2,3}当然，以下数组最终的效果都是等价的，只要顺序一致即可：

{ 0, 1, 2, 0, 2, 3 }，
{ 1, 2, 0, 0, 2, 3 }，
{ 0, 2, 3, 1, 2, 0 }，
…

我们现在写成代码，

// 重新计算法线，注意，法线是根据共享的顶点计算出来的。
mesh.RecalculateNormals();

// 重新计算包围体，在修改顶点后需要这个函数以确保包围体是正确的
mesh.RecalculateBounds();

// 从法线和纹理坐标重新计算网格的切线（如果网格使用引用法线贴图的着色器进行渲染，则切线需要更新）
// 因为我们这里不使用法线贴图，所以就不调用它了
// mesh.RecalculateTangents();

5、重新计算法线和包围体

当我们设置或修改了顶点数据后，需要调用Mesh的Recalculate方法来重新计算一些必要的信息，比如重新计算法线、包围体，代码如下

// 重新计算法线，注意，法线是根据共享的顶点计算出来的。
mesh.RecalculateNormals();

// 重新计算包围体，在修改顶点后需要这个函数以确保包围体是正确的
mesh.RecalculateBounds();

// 从法线和纹理坐标重新计算网格的切线（如果网格使用引用法线贴图的着色器进行渲染，则切线需要更新）
// 因为我们这里不使用法线贴图，所以就不调用它了
// mesh.RecalculateTangents();

6、完整版代码

以上代码封装成GenQuadMesh.cs脚本，完整代码如下：

// 使用代码生成四边形网格
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
[RequireComponent(typeof(MeshFilter))]
[RequireComponent(typeof(MeshRenderer))]
public class GenQuadMesh : MonoBehaviour
{
    public MeshFilter mf;
    private void Start()
    {
        mf.mesh = Build();
    }
   public static Mesh Build()
    {
        var mesh = new Mesh();
        // 构建顶点坐标
        var vertices = new List<Vector3>();
        vertices.Add(new Vector3(-0.5f, -0.5f, 0));
        vertices.Add(new Vector3(-0.5f, 0.5f, 0));
        vertices.Add(new Vector3(0.5f, 0.5f, 0));
        vertices.Add(new Vector3(0.5f, -0.5f, 0));
        // 将顶点坐标设置给Mesh
        mesh.SetVertices(vertices);
        // 构建UV坐标
        var uvs = new List<Vector2>();
        uvs.Add(new Vector2(0, 0));
        uvs.Add(new Vector2(0, 1));
        uvs.Add(new Vector2(1, 1));
        uvs.Add(new Vector2(1, 0));
        // 将UV坐标设置给Mesh
        mesh.SetUVs(0, uvs);
        // 设置三角形序列
        var triangles = new int[] { 0, 1, 2, 0, 2, 3 };
        mesh.SetTriangles(triangles, 0);
        mesh.RecalculateNormals();
        mesh.RecalculateBounds();
        return mesh;
    }
}

7、测试

创建一个空物体，挂上MeshFilter和MeshRenderer组件。

在这里插入图片描述

再挂上我们上面写的GenQuadMesh脚本，赋值mf变量为MeshFilter对象，如下

在这里插入图片描述

运行Unity，看到一个紫色快，

在这里插入图片描述

将Scene视图的模式设置为Wireframe，如下

在这里插入图片描述

现在我们可以看到我们动态创建的网格啦，

在这里插入图片描述

上面之所以显示紫色块，是因为我们没有给MeshFilter设置材质球，顺手做一个炮姐的材质球吧，

在这里插入图片描述

给MeshRenderer设置材质球对象，

在这里插入图片描述

重新运行Unity，效果如下，

在这里插入图片描述

8、项目源码

要用代码动态创建一个Mesh，就是new一个Mesh，给它塞入顶点坐标、UV坐标和三角形序列即可。再复杂的网格也可以通过这些步骤创建出来~
下面这些就是使用纯代码创建出来的几何体网格，感兴趣的同学可以下载项目源码下来学习。
项目源码：https://codechina.csdn.net/linxinfa/unity-mesh-builder

在这里插入图片描述

六、网格相关的开源项目

我再推荐一些网格相关的开源项目给大家~

1、2D网格涂鸦

项目地址：https://github.com/mattatz/unity-triangulation2D

在这里插入图片描述

2、3D网格涂鸦

项目地址：https://github.com/mattatz/unity-teddy

在这里插入图片描述

3、网格体素化

项目地址：https://github.com/Scrawk/Mesh-Voxelization

在这里插入图片描述 

在这里插入图片描述

4、网格平滑算法

项目地址：https://github.com/mattatz/unity-mesh-smoothing

在这里插入图片描述

5、网格切割

项目地址：https://github.com/hugoscurti/mesh-cutter

在这里插入图片描述 

在这里插入图片描述

6、网格合并

项目地址：https://github.com/sanukin39/UniMeshCombiner

在这里插入图片描述

七、未完的探险

好了，这次探险之旅就暂时到这里吧，还有很多内容需要探索，先保持体力，我们下次再见,更多关于Unity网格(Mesh\动态合批\骨骼动画\蒙皮)的资料请关注脚本之家其它相关文章！

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