【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 );
  

  

• 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
  

• 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