Unity3D学习笔记1——绘制一个三角形

charlee44

发布于 2021-06-29 09:55:49

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发布于 2021-06-29 09:55:49

1. 绪论

最近想学习一下Unity3d，无奈发现现在大部分教程不仅是视频形式的，面对的也是美术、设计之类的非程序员，更多的时候都是把Unity3d当作PS一样的工具来用，真正面对程序开发的教程反而非常少，更不用说希望能研究到一些底层图形技术的技术工作者了。

说一下我看的两本Unity3d书籍吧。第一本是《Unity 3D游戏开发（第2版）》(宣雨松著)。这本书算是大部分教程书籍中评价比较好的了，很多人推荐。不过个人感觉作者对Unity3D的知识有了太多的积累，已经忘记了初学者初学Unity3D的心态，知识也显得比较零散。不过这也是国内大多数书籍的通病了，更像是作者对知识的总结而不是成体系的向读者介绍知识。建议初学者看这本书一定要实操，喜欢头脑风暴的同学不适合这本书。

看的第二本书是《Unity Shader入门精要》（冯乐乐著）。令人佩服的是这本书是位程序媛写的，可能正是因为如此，这本书写的确实非常细致到位。尤其是前面几章对渲染管线的描述，从Unity3D图形技出发，已然上升到计算机图形学的高度上，对学习其他的图形技术也有非常大的帮助（毕竟很多图形技术都是通用的）。当时看了觉得确实很不错，因此还送了同事一本。

最后就是自己也想总结一下Unity3D的相关知识吧，本身是个程序猿，当然更多的会偏向游戏开发的程序员角度，或者图形技术的程序员的角度一点。

2. 概述

图形渲染技术的第一个HelloWorld当然应该就是绘制一个三角形了。在绝大多数情况下，三角面是渲染物体的基础图元。作为高级的渲染引擎，像三角面这样的几何体甚至不需要我们去通过代码来绘制，但是却是我们学习的基础，立足于这个基础，我们以后能够渲染更加复杂的图形。

3. 详论

3.1. 准备

通过Unity Hub创建一个3D工程：

进入Unity3D环境，通过右键菜单，在"Hierarchy"视图中添加一个名为"Root"空的GameObject：

GameObject对象是Unity3D中得一个基础类，Unity3D中得绝大部分对象都是基于它实现的，比如相机、灯光、或者模型等。所以我们这里把创建的名为Root的GameObject对象作为场景的根节点。

在Root对象的Inspector面板中，可以看到一个"Add Component"按钮：

也就是说，通过"Add Component"按钮，我们可以挂接一些组件，这样，空的GameObject对象就成为了其他类型的对象。例如，我这里挂接一个C#脚本，通过C#脚本来绘制物体，那么这个GameObject，表示的就是一个渲染的物体。

在"Project"视图中,通过右键菜单创建一个C#脚本：

通过Root对象的Inspector面板中的"Add Component"按钮，将这个脚本，挂接到Root对象下：

3.2. 实现

通过"Project"视图的右键菜单中打开这个C#工程，可以看到我们添加的脚本"Main.CS"：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Main : MonoBehaviour
{
    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {        
    }
}

这个脚本提供了两个方法：

Start()表示初始化(第一帧)的时候需要更新的内容，通常用于初始化之后不再更新的内容。比如我们会在这里绘制一个物体。
Update()表示每一帧都需要实时更新的内容，比如相机与鼠标键盘事件的交互。

那么就在Start()中进行绘制一个三角形的操作：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Main : MonoBehaviour
{
    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        GameObject main = GameObject.Find("/Root");
        if (main == null)
        {
            return;
        }

        GameObject triangleGameObject = GreateTriangle();
        triangleGameObject.transform.parent = main.transform;
    }

    GameObject GreateTriangle()
    {
        string name = "triangle";
  
        Mesh mesh = new Mesh();
        mesh.name = name;

        Vector3[] vertices = new Vector3[3]
        {
            new Vector3(0, 0, 0),
            new Vector3(0, 10, 0),
            new Vector3(10, 0, 0)
        };        
        mesh.vertices = vertices;

        int[] triangles = new int[3] { 0, 1, 2 };
        mesh.triangles = triangles;

        GameObject triangleGameObject = new GameObject(name);
        MeshFilter mf = triangleGameObject.AddComponent<MeshFilter>();
        mf.sharedMesh = mesh;

        MeshRenderer meshRenderer = triangleGameObject.AddComponent<MeshRenderer>();
     
        return triangleGameObject;
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {        
    }
}

3.3. 解析

3.3.1. 场景树对象

在Start()函数中，首先我们找到了场景根节点Root，然后又通过调用GreateTriangle()函数，创建了一个三角形的GameObject对象，最后把这个三角形对象挂接到Root对象下：

void Start()
{
    GameObject main = GameObject.Find("/Root");
    if (main == null)
    {
        return;
    }

    GameObject triangleGameObject = GreateTriangle();
    triangleGameObject.transform.parent = main.transform;
}

可以看到子对象挂接到父对象是通过GameObject对象中Transform对象来挂接的，这其实体现了一种思维的体现：Transform其实是表达GameObject对象空间位置的的4X4矩阵，父节点设置Transform会影响到子节点的位置，子节点的初始位置都是基于父节点的Transform开始计算的。通过这种方式，再复杂的场景也可以组织成一个场景树节点:

3.3.2. 绘制方法

经过图形技术的多年发展，现在大部分图像渲染引擎都会把渲染的物体封装成两种对象：渲染物体的骨架封装成Mesh(网格)，因为绝大多数物体都是通过一个个三角面片渲染出来的；渲染物体的血肉封装成Material(材质)，影响最终渲染的效果，如物体的光感、质地。

所以，为了绘制一个三角形，当然应该先绘制一个Mesh：

GameObject GreateTriangle()
{
    string name = "triangle";

    Mesh mesh = new Mesh();
    mesh.name = name;

    Vector3[] vertices = new Vector3[3]
    {
        new Vector3(0, 0, 0),
        new Vector3(0, 10, 0),
        new Vector3(10, 0, 0)
    };        
    mesh.vertices = vertices;

    int[] triangles = new int[3] { 0, 1, 2 };
    mesh.triangles = triangles;

    //...
}

这里，我们给Mesh传入了三个顶点，以及顶点的三角面索引。三角面索引表示的是按照索引的顺序，通过顶点进行绘制，这样就可以使用较少的顶点进行绘制，节约空间，毕竟Mesh中很多三角面片是共顶点的。

接下来，给GameObject增加一个MeshFilter组件，通过这个组件挂接刚创建的Mesh；给GameObject增加一个MeshRenderer组件，这个组件是用来挂接Material的，不过暂时没有用上Material（但是必须增加MeshRenderer组件，否则不会显示物体）。

GameObject GreateTriangle()
{
    //...

    GameObject triangleGameObject = new GameObject(name);
    MeshFilter mf = triangleGameObject.AddComponent<MeshFilter>();
    mf.sharedMesh = mesh;

    MeshRenderer meshRenderer = triangleGameObject.AddComponent<MeshRenderer>();
    
    return triangleGameObject;
}