LOD原理及相关实现方式

目的：

模型当前的面数过多，在游戏上跑，性能会有较大问题

方法：

方法一：美术制作各种级别的模型     

优点：模型精细度可控     

缺点：素材可能变大并且美术需要消耗大量人力制作

方法二：程序自动支持各种级别的模型   

优点：不需要美术消耗资源制作，时间大量节省     

缺点：精细度不一定能完美解决，可能每个模型需要调整不同的减面系数

LOD是Level Of Details的缩写即多层次细节 LOD就是为了支持当物体远离观察者或者物体的重要程度不同，位置不同，速度不同或者视角相关的参数不同需要减少渲染3D模型的复杂度

Mesh Decimation技术

第一种为顶点聚类(vertex clustering)

第二种为增量式简化(Increment decimation)。

 

顶点聚类(vertex clustering)

顶点聚类原理大致分为以下几步：

1. 生成聚类(Cluster Generation)

2.计算表现因子(Computing a representative)

3.生成网格(Mesh Generation)

4.改变拓扑结构(Topology Changes)

 

边坍缩(edge collapse)

边坍缩(edge collapse)是实现增量式简化(Increment decimation)的一种思路，使用三角边坍缩的方法来进行网格简化，将两个顶点合并成一个顶点，如图所示。

 

Automatic LOD效果（分别是lod0，lod1，lod2的效果）

 

实现代码

GetWorldVertices(gameObject)会遍历模型上所有的顶点，对于SkinnedMesh会带入骨骼的旋转和权重值进行计算，返回物体所有的顶点在世界坐标系的位置。

 

meshUniqueVertices.BuildData(m_meshOriginal, aVerticesWorld)会重新创建一组Mesh顶点数据和一组三角形面片数据，包含本地坐标系位置和世界坐标系位置，因为Unity的Mesh数据结构里面，所有的顶点保存在一个顶点列表里面，三角形面片列表只会拥有顶点的索引，所以对于位置相同的顶点，三角形面片列表会拥有顶点列表里面相同的索引。

 

AddVertices(m_meshUniqueVertices.ListVertices, m_meshUniqueVertices.ListVerticesWorld, m_meshUniqueVertices.ListBoneWeights)会使用重新创建的顶点数据列表创建对应的Vertex对象数组，并保存到m_listVertices列表里面。

 

Vertex对象记录了一个顶点在网格简化过程中所需要的相关信息，如坐标位置，相邻的Vertex顶点，相邻的三角形对象，边收缩代价(Edge Collapse Cost)，坍缩目标点，优化排序的顶点等等

 

优化顶点排序

二分优化排序，把大的值尽量放在左边，他并不能完全保证排序顺序（实际上只排了一半），但起码大的排在前面的概率会大

而且不需要0（n）以上来排序，只需要0(logn)

HeapValue是获取具体的边坍塌代价

void HeapSortUp(int k)
      {
        int k2;
        while (HeapValue(k) < HeapValue((k2 = (k - 1) / 2)))
        {
          Vertex tmp = m_listHeap[k];
          m_listHeap[k] = m_listHeap[k2];
          m_listHeap[k].m_nHeapSpot = k;
          m_listHeap[k2] = tmp;
          m_listHeap[k2].m_nHeapSpot = k2;
          k = k2;
        }
      }

创建对应的Triangle对象数组

AddFaceListSubMesh(nSubMesh, m_meshUniqueVertices.SubmeshesFaceList[nSubMesh].m_listIndices, anIndices, av2Mapping)会使用重新创建的三角形面片列表创建对应的Triangle对象数组，并保存到m_aListTriangles列表里面。主要是获取每个三角面所包含的三个顶点，并计算法线（用于计算曲率）。同时，将该三角面加入顶点的三角面列表，并将每个顶点加入另外两个顶点的邻居列表中去。Triangle对象包含了Vertex对象的引用列表，三角形面法线信息用于计算坍缩代价，UV信息等。

 

坍塌计算

ComputeAllEdgeCollapseCosts(strProgressDisplayObjectName, gameObject.transform, aRelevanceSpheres, progress)会遍历网格中的所有Vertex顶点，对于每一个Vertex顶点，计算所有相邻顶点的边坍缩代价(Edge Collapse Cost)，保存边坍缩代价最小的值和坍缩目标点(Collapse Vertex)，并且把计算后的Vertex顶点添加到堆里面，按照边坍缩代价进行从小到大排序

 

一条边是否要坍塌

它的边长与曲率值的乘积

-通过顶点间的向量之差的叉乘得到法线方向。

-比较两个面的法线的点积得到坍塌边uv的曲率值

-然后用两点距离×点乘的值得到坍塌的代价

坍缩代价

-边的长度，在模型简化过程中，小的细节应该优先被移除，所以边长短的应该优先被移除

-点周围的曲率变化，理论上曲率变化越小的顶点，所处的区域越平坦，应该优先被移除

 

边坍缩处理阶段

循环地从堆里弹出边坍缩代价最小的顶点，并且调用Collapse(Vertex u, Vertex v, bool bRecompute, Transform transform, RelevanceSphere[] aRelevanceSpheres)对顶点进行边坍缩处理

具体方式是获取坍缩代价最小的顶点u及其坍缩目标顶点v

遍历u的三角面列表

如果包含v就删除该三角面，否则将u替换为v

其中替换方案：把老顶点的临点赋值给新临点，删除老顶点的临点和老顶点

然后重新计算u的所有邻居点的坍缩代价和坍缩目标并更新堆的顺序

直到所有顶点全部处理完成

 

顶点间坍塌顺序的区别

 

参考资料

https://zhuanlan.zhihu.com/p/51944864?utm_source=qq&utm_medium=social&utm_oi=827612570348310528

 

unity运行时执行

三种模式 Screen Coverage：

-对象在屏幕中的大小决定

-Camera Distance：摄像机远近决定

-Just Change：强制切换LOD

 

CameraDistance

先判定相机距离

-Vector3 v3WorldCenter = transform.TransformPoint(m_localCenter.x, m_localCenter.y, m_localCenter.z);

-//计算自身坐标空间到摄像机的距离

-fDistanceToCamera = Vector3.Distance(v3WorldCenter, currentCamera.transform.position);

 

判断距离与每个lod切换条件

-if (fDistanceToCamera < m_listLODLevels[nLODLevel + 1].m_fMaxCameraDistance)

 

Screen Coverage

先判定对象占据屏幕的大小（特别注意的也需要看子对象是否比父级对象占据的上下左右最大）

Vector3 v3World = i == 0 ? GetComponent<Renderer>().bounds.min : GetComponent<Renderer>().bounds.max;
Vector3 v3View  = mtxView.inverse.MultiplyPoint(v3World);
if (v3View.x < fMinX) fMinX = v3View.x;
if (v3View.y < fMinY) fMinY = v3View.y;
if (v3View.z < fMinZ) fMinZ = v3View.z;
if (v3View.x > fMaxX) fMaxX = v3View.x;
if (v3View.y > fMaxY) fMaxY = v3View.y;
if (v3View.z > fMaxZ) fMaxZ = v3View.z;
 
float fViewSurfaceArea = (fMaxX - fMinX) * (fMaxY - fMinY);

 

判断大小与每个lod切换条件

-if (fScreenCoverage > m_listLODLevels[nLODLevel + 1].m_fScreenCoverage)

 

unity编译时流程

创建对象的n个mesh（现在n=3）

把相关依赖的mono附在对象上（AutoMaticLOD,AutoLODAllMesh）

创建mesh对象的减面百分比，距离，大小，最终存储在创建的asset文件下（包括对象的子对象）

附上相关的依赖关系和mesh到每个对象上 打ab

 

lod切换等级计算方式

ScreenCoverage：
float oneminust = (float)(percent / 100.0f);
data.m_fScreenCoverage = Mathf.Pow(oneminust, 3.0f);

CameraDistance
i == 0 ? 0.0f : nLevel * 100.0f;
 

未来尝试方向

减面需要符合真实美感：

-有合并过的面选择性平滑过度

-指定的部位或面不进行autolod