用Shader绘制自由多边形

前言

讲述一下如何在场景中使用Unity Shader绘制自由多边形。

本文所述的程序，支持在地图中用鼠标点击，确定多边形顶点，并且绘制多边形的边，在内部填充半透明的颜色。

 

1 开发工具介绍

Windows 10（64位）

Unity 5.4.1（64位）

2 建立工程

首先建立一个新工程，命名为Polygon，并创建一个Scene。在场景中新建一个Plane，该Plane是默认带有碰撞体的，这个碰撞体必须有，因为我们在后边使用鼠标选取位置的时候，涉及到碰撞检测。给该Plane加上贴图。

3 核心代码实现

3.1  Polygon.cs脚本中实现的是鼠标点击和向shader传递信息的功能

（1）为了实现鼠标点选场景中的3D位置，需要使用射线

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Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);   

RaycastHit hit;   

if(Physics.Raycast(ray,outhit, 100))   

{   

    Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point);                        

}

（2）向shader传递顶点的位置和数量

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mat.SetVectorArray("Value",screenPos);//传递顶点屏幕位置信息给shader 

mat.SetInt ("PointNum",pointNum2Shader);//传递顶点数量给shader

（3）将鼠标点击的位置转化为屏幕坐标

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worldPos[currentpointNum-1] = hit.point; 

Vector3 v3 = Camera.main.WorldToScreenPoint (worldPos [currentpointNum-1]); 

screenPos[currentpointNum-1] = newVector4(v3.x,Screen.height-v3.y,v3.z,0);

3.2 Polygon.shader中实现多边形的绘制功能

（1）计算两点之间的距离函数  

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floatDis(float4 v1,float4 v2) 

{ 

    returnsqrt(pow((v1.x-v2.x),2)+pow((v1.y-v2.y),2)); 

}

（2）绘制线段的函数

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boolDrawLineSegment(float4 p1, float4 p2, floatlineWidth,v2f i) 

{ 

    float4 center = float4((p1.x+p2.x)/2,(p1.y+p2.y)/2,0,0); 

    //计算点到直线的距离   

     floatd = abs((p2.y-p1.y)*i.vertex.x + (p1.x - p2.x)*i.vertex.y +p2.x*p1.y -p2.y*p1.x )/sqrt(pow(p2.y-p1.y,2) + pow(p1.x-p2.x,2));   

    //小于或者等于线宽的一半时，属于直线范围   

    floatlineLength = sqrt(pow(p1.x-p2.x,2)+pow(p1.y-p2.y,2)); 

    if(d<=lineWidth/2 && Dis(i.vertex,center)<lineLength/2)   

    {   

        returntrue;   

    }   

    returnfalse; 

}

（3）绘制多边形的函数

参考：https://www.ecse.rpi.edu/Homepages/wrf/Research/Short_Notes/pnpoly.html

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boolpnpoly(intnvert, float4 vert[6], floattestx,floattesty) 

{ 

       

    inti, j; 

    boolc=false; 

    floatvertx[6]; 

    floatverty[6]; 

   

    for(intn=0;n<nvert;n++) 

    { 

        vertx[n] = vert[n].x; 

        verty[n] = vert[n].y; 

    } 

    for(i = 0, j = nvert-1; i < nvert; j = i++) { 

    if( ((verty[i]>testy) != (verty[j]>testy)) && (testx < (vertx[j]-vertx[i]) * (testy-verty[i]) / (verty[j]-verty[i]) + vertx[i]) ) 

       c = !c; 

    } 

    returnc; 

}

4 完整的C#脚本和Shader代码

Ploygon.cs

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usingUnityEngine; 

usingSystem.Collections; 

[ExecuteInEditMode]  

publicclassPolygon : MonoBehaviour { 

   

    publicMaterial mat; //绑定材质 

    Vector3[] worldPos; //存储获取的3D坐标 

    Vector4[] screenPos; //存储待绘制的多边形顶点屏幕坐标 

    intmaxPointNum=6; //多边形顶点总数 

    intcurrentpointNum =0; //当前已经获得的顶点数 

    intpointNum2Shader =0; //传递顶点数量给shader 

    boolInSelection=true;//是否处于顶点获取过程 

   

    voidStart () { 

        worldPos = newVector3[maxPointNum]; 

        screenPos = newVector4[maxPointNum]; 

    } 

       

   

    voidUpdate () { 

        mat.SetVectorArray("Value",screenPos);//传递顶点屏幕位置信息给shader 

        mat.SetInt ("PointNum",pointNum2Shader);//传递顶点数量给shader 

   

        //使用摄像机发射一条射线，以获取要选择的3D位置 

        Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);   

        RaycastHit hit;   

        if(Physics.Raycast(ray,outhit, 100))   

        {   

            Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point);                        

        }   

   

        //利用鼠标点击来获取位置信息 

        if(Input.GetMouseButtonDown (0)&& InSelection)  

        { 

            if(currentpointNum < maxPointNum)  

            { 

                currentpointNum++; 

                pointNum2Shader++; 

                worldPos[currentpointNum-1] = hit.point; 

                Vector3 v3 = Camera.main.WorldToScreenPoint (worldPos [currentpointNum-1]); 

                screenPos[currentpointNum-1] = newVector4(v3.x,Screen.height-v3.y,v3.z,0); 

            }  

            else  

            { 

                InSelection = false; 

            } 

        } 

   

        //实时更新已选择的3D点的屏幕位置 

        for(inti = 0; i < maxPointNum; i++)  

        { 

            Vector3 v3 = Camera.main.WorldToScreenPoint (worldPos[i]); 

            screenPos[i] = newVector4(v3.x,Screen.height-v3.y,v3.z,0); 

   

        } 

   

        //检测是否有3D点移动到了摄像机后面，如果有，则停止绘制 

        for(inti = 0; i < currentpointNum; i++)  

        { 

            if(Vector3.Dot(worldPos[i]- Camera.main.transform.position,Camera.main.transform.forward)<=0)  

            { 

                pointNum2Shader=0; 

                break; 

            } 

            pointNum2Shader= currentpointNum; 

        } 

    } 

   

    //抓取当前的渲染图像进行处理 

    voidOnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest) {   

        Graphics.Blit(src, dest, mat);   

    }        

}

Polygon.shader

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Shader"Unlit/polygon" 

{ 

    Properties   

    {   

        //定义基本属性，可以从编辑器里面进行设置的变量   

        // _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}   

    }   

   

    CGINCLUDE 

            //从应用程序传入顶点函数的数据结构定义  

            structappdata   

            {   

                float4 vertex : POSITION;   

                float2 uv : TEXCOORD0;   

            };   

            //从顶点函数传入片段函数的数据结构定义   

            structv2f   

            {   

                float2 uv : TEXCOORD0;   

                float4 vertex : SV_POSITION;   

            };   

            //定义贴图变量   

            sampler2D _MainTex;   

            // float4 _MainTex_ST;   

   

            //定义与脚本进行通信的变量 

            vector Value[6];  

            intPointNum =0; 

   

            //计算两点间的距离的函数 

            floatDis(float4 v1,float4 v2) 

            { 

                returnsqrt(pow((v1.x-v2.x),2)+pow((v1.y-v2.y),2)); 

            }    

   

            //绘制线段 

            boolDrawLineSegment(float4 p1, float4 p2, floatlineWidth,v2f i) 

            { 

                float4 center = float4((p1.x+p2.x)/2,(p1.y+p2.y)/2,0,0); 

                //计算点到直线的距离   

                floatd = abs((p2.y-p1.y)*i.vertex.x + (p1.x - p2.x)*i.vertex.y +p2.x*p1.y -p2.y*p1.x )/sqrt(pow(p2.y-p1.y,2) + pow(p1.x-p2.x,2));   

                //小于或者等于线宽的一半时，属于直线范围   

                floatlineLength = sqrt(pow(p1.x-p2.x,2)+pow(p1.y-p2.y,2)); 

                if(d<=lineWidth/2 && Dis(i.vertex,center)<lineLength/2)   

                {   

                    returntrue;   

                }   

                returnfalse; 

            } 

   

            //绘制多边形，这里限制了顶点数不超过6。可以自己根据需要更改。 

            boolpnpoly(intnvert, float4 vert[6], floattestx,floattesty) 

            { 

                   

                inti, j; 

                boolc=false; 

                floatvertx[6]; 

                floatverty[6]; 

   

                for(intn=0;n<nvert;n++) 

                { 

                    vertx[n] = vert[n].x; 

                    verty[n] = vert[n].y; 

                } 

                for(i = 0, j = nvert-1; i < nvert; j = i++) { 

                if( ((verty[i]>testy) != (verty[j]>testy)) && (testx < (vertx[j]-vertx[i]) * (testy-verty[i]) / (verty[j]-verty[i]) + vertx[i]) ) 

                   c = !c; 

                } 

                returnc; 

            } 

                               

            v2f vert (appdata v)   

            {   

                v2f o;   

                //将物体顶点从模型空间换到摄像机剪裁空间，也可采用简写方式——o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);   

                o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);   

                //2D UV坐标变换,也可以采用简写方式——o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);   

                //o.uv = v.uv.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;   

                returno;   

            }              

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target   

            {   

                   

                //绘制多边形顶点 

                for(intj=0;j<PointNum;j++) 

                { 

                    if(Dis(i.vertex, Value[j])<3) 

                    { 

                        returnfixed4(1,0,0,0.5); 

                    } 

                } 

                //绘制多边形的边 

                for(intk=0;k<PointNum;k++) 

                { 

                    if(k==PointNum-1) 

                    { 

                        if(DrawLineSegment(Value[k],Value[0],2,i)) 

                        { 

                            returnfixed4(1,1,0,0.5); 

                        } 

                    } 

                    else 

                    { 

                        if(DrawLineSegment(Value[k],Value[k+1],2,i)) 

                        { 

                            returnfixed4(1,1,0,0.5); 

                        } 

                    } 

   

                } 

                //填充多边形内部 

                if(pnpoly(PointNum, Value,i.vertex.x ,i.vertex.y)) 

                { 

                    returnfixed4(0,1,0,0.3); 

                } 

                returnfixed4(0,0,0,0); 

                //fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);  

                //return col;   

            }   

    ENDCG 

   

    SubShader   

    {   

        Tags { "RenderType"="Opaque"}   

        LOD 100   

        Pass   

        {   

            //选取Alpha混合方式   

            Blend  SrcAlpha OneMinusSrcAlpha   

            //在CGPROGRAM代码块中写自己的处理过程   

            CGPROGRAM   

            //定义顶点函数和片段函数的入口分别为vert和frag   

            #pragma vertex vert   

            #pragma fragment frag   

            //包含基本的文件，里面有一些宏定义和基本函数   

            #include "UnityCG.cginc"                

              

            ENDCG   

        }   

    }   

}

5 运行效果

小结

本文介绍的是关于Unity Shader的一种基本应用。使用了简单的绘制技术，完成了在场景中进行自由多边形区域的选择功能。目前，还只是一种简单的实现，仅仅展示了绘制一个多边形。读者可以根据自己的需要，扩展其相关功能。