移植UE4的模型操作到Unity中

　　最近在Unity上要写一个东东，功能差不多就是在Unity编辑器上的旋转，移动这些，在手机上也能比较容易操作最好，原来用Axiom3D写过一个类似的，有许多位置并不好用，刚好在研究UE4的源码，在模型操作上，很多位置都解决了，其实大家可以对比下，在UE4与Unity中，UE4的如移动和旋转都要正确和好用。

　　如下是根据UE4中简单移植过来的效果图，差不多已经够用，UE4相关源码主要在EditorViewportClient与UnrealWidget。

　　

　　介绍一下这个组件主要功能。

　　1. 模型本地空间与世界空间二种模式。

　　2. 根据情况动态生成操作模型，如在移动模型时，选择的轴变色，旋转时，视角与模型的方向产生不同模型。

　　3. 移动根据鼠标平面映射到对应移动平面，点保存上轴上距离不变(作为对比，可以看到Unity上长距离移动，鼠标位置在轴上的位置位移会不断拉大)。

　　4. 不管模型与摄像机的距离，旋转与移动操作都是合适的大小。

　　5. 旋转方向的确定，简单说，就是在旋转时，如果用鼠标移动来确定旋转的方向，这个问题看似简单，我以前就没搞出来。

　　6. 在移动本台，我们需要更方便的操作，所以在移动平台会有些操作，如更容易选中，生成的模型会更大等。

　　最后，有一些，如箭头模型，选择旋转与移动轴的算法以前考虑过，就没用UE4本身的，如果感觉有问题，自己去移植UE4的。其中旋转因为移动平台易用性，就设定了一个值，如在我这设定的是10，就是每次只旋转10度。

　　简单分析一下，UE4里相关思路。

　　其中移动的算法思路非常赞，比如我们要移动X轴，那么我们对应在法线为Y或是法线为Z轴上的平面都可以，通过摄像机的方向与这二个平面的夹角，在这如果摄像机的方向与法线Y平面的角大于与法线Z平面的角，那么我们选择法线Y平面的面做映射面，而Z向量作偏向轴方向，什么意思了，我们鼠标是在二维面上移动的，但是对应的只在X轴上移动，那么我们在法线Y平面上的映射向量需要去掉在Z向量上偏向量的影响。如下是移动的主要代码，每步我加了注释，其中一些比较常用如投影，向量减向量在某向量上的投影的意义要记清，当初我也是看到这，就一下想通这个算法的思路了。　　

    /// <summary>
    /// FWidget::GetAbsoluteTranslationDelta 
    /// 算法思想，如果移动X轴，选取以Y轴或是Z轴为法线并过模型上的面，鼠标移动映射在这个面上。
    /// 其中，如果选择Y轴面，要去掉Z轴上运动值，参看NormalToRemove
    /// </summary>
    /// <param name="inParams"></param>
    /// <returns></returns>
    public Vector3 GetAbsoluteTranslationDelta(AbsoluteMovementParams inParams)
    {
        //鼠标移动的位置 对应的面，请看GetAxisPlaneNormalAndMask方法
        Plane movementPlane = new Plane(inParams.PlaneNormal, inParams.Position);
        //估算鼠标点击在模型上的位置（点击射线方向）
        Vector3 eyeVector = inParams.EyePos + inParams.PixelDir * (inParams.Position - inParams.EyePos).magnitude;
        //模型的世界位置
        Vector3 requestedPositon = inParams.Position;

        //点击方向与面的夹角
        float dotPlaneNormal = Vector3.Dot(inParams.PixelDir, inParams.PlaneNormal);
        //摄像机方向与面的夹角不为90度
        if (Mathf.Abs(dotPlaneNormal) > 0.00001)
        {
            //摄像机到点击位置 与 面的交点 ，把requestedPositon映射到面上位置
            requestedPositon = LinePlaneIntersection(inParams.EyePos, eyeVector, movementPlane);
        }
        //拖动的增量（都在movementPlane上，二点相差）
        var deltaPosition = requestedPositon - inParams.Position;
        //保存最开始点击下去得到的偏移
        Vector3 offset = GetAbsoluteTranslationInitialOffset(requestedPositon, inParams.Position);
        //去掉最开始本身的偏移
        deltaPosition -= initialOffset;
        //.Log("delta:" + deltaPosition);
        //去掉deltaPosition到NormalToRemove上投影 outDrag与NormalToRemove 互相垂直，outDrag+NormalToRemove = deltaPosition
        float movementAxis = Vector3.Dot(deltaPosition, inParams.NormalToRemove);
        Vector3 outDrag = deltaPosition - inParams.NormalToRemove * movementAxis;
        //Debug.Log("outDrag:" + outDrag);
        //get the distance from the original position to the new proposed position 
        //Vector3 deltaFromStart = inParams.Position + outDrag - initialPosition;
        //模型到摄像机方向
        Vector3 eyeToNewPosition = inParams.Position + outDrag - inParams.EyePos;
        //模型到摄像机方向与摄像机方向 夹角大于90度
        float behindDot = Vector3.Dot(eyeToNewPosition, inParams.CameraDir);
        if (behindDot <= 0)
        {
            outDrag = Vector3.zero;
        }
        return outDrag;
    }

　　移动的算法差不多就是这样，其中如何生成移动模型就不拉出来，后面会给出源代码，大家自己去找。至于如何找到移动模型对应的X,Y,Z轴，或是全部移动，算法以前写过，求得二射线相隔最近的二点，然后根据二点的长度判断是否认为相交，在代码文件上的GetAxisType，具体大家去看。

　　旋转时，我们根据摄像机到模型的向量分别计算对应的XYZ轴上正负向量，再分别生成如X轴上对应YZ平面的90度弧形，顺便我们得到每个对应平面在对应屏幕上的方向，这样我们在屏幕上移动就能正确的对应模型应该的旋转方向，列出其中相关代码，更详细的解释请看函数对应的注释。　　

    #region 渲染旋转
    public void Render_Rotate()
    {
        if (currentAxis == AxisType.None)
        {
            Render_RotateArc();
        }
        else
        {
            Render_RotateAll();
        }
    }

    //旋转模式下，生成三个面的旋转模型
    public void Render_RotateArc()
    {
        Vector3 toWidget = ((this.transform.position - Camera.main.transform.position)).normalized;
        Vector3 XAxis = coordSystem * Vector3.right;
        Vector3 YAxis = coordSystem * Vector3.up;
        Vector3 ZAxis = coordSystem * Vector3.forward;

        //画对应的旋转的90度面          
        var redMesh = DrawRotationArc(AxisType.X, this.transform.position, ZAxis, YAxis, 0, Mathf.PI / 2.0f, toWidget, Color.red, ref xAxisDir);
        var greenMesh = DrawRotationArc(AxisType.Y, this.transform.position, XAxis, ZAxis, 0, Mathf.PI / 2.0f, toWidget, Color.green, ref yAxisDir);
        var blueMesh = DrawRotationArc(AxisType.Z, this.transform.position, XAxis, YAxis, 0, Mathf.PI / 2.0f, toWidget, Color.blue, ref zAxisDir);
        //分别合并面与线，合成一个SubMesh时，要求MeshTopology与材质一样
        var faceMesh = CombineMesh(true, redMesh.FaceMesh, greenMesh.FaceMesh, blueMesh.FaceMesh);

        //var lineMesh = CombineMesh(true, redMesh.LineMesh, greenMesh.LineMesh, blueMesh.LineMesh);        
        float x = Mathf.Sign(Vector3.Dot(toWidget, bLocation ? axisTransform.right : Vector3.right));
        float y = Mathf.Sign(Vector3.Dot(toWidget, bLocation ? axisTransform.up : Vector3.up));
        float z = Mathf.Sign(Vector3.Dot(toWidget, bLocation ? axisTransform.forward : Vector3.forward));
        var redLineMesh = CreateLine(Vector3.zero, -XAxis * innerRadius * x, Color.red);
        var greenLineMesh = CreateLine(Vector3.zero, -YAxis * innerRadius * y, Color.green);
        var blueLineMesh = CreateLine(Vector3.zero, -ZAxis * innerRadius * z, Color.blue);
        var lineMesh = CombineMesh(true, redLineMesh, greenLineMesh, blueLineMesh);

        //合并面与线，分别对应一个SubMesh,可以用不同MeshTopology与材质
        meshFilter.mesh = CombineMesh(false, faceMesh, lineMesh);
        //给每个SubMesh对应材质
        meshRender.sharedMaterials = new Material[2] { faceMat, lineMat };
    }

    /// <summary>
    /// FWidget::DrawRotationArc 渲染选择某个轴后的对应模型，360度的面
    /// </summary>
    public void Render_RotateAll()
    {
        Vector3 toWidget = (this.transform.position - Camera.main.transform.position).normalized;
        Vector3 XAxis = coordSystem * Vector3.right;    // Quaternion.Inverse(coordSystem) *
        Vector3 YAxis = coordSystem * Vector3.up;       // 
        Vector3 ZAxis = coordSystem * Vector3.forward;  // 

        float adjustDeltaRotation = bLocation ? -totalDeltaRotation : totalDeltaRotation;
        float absRotation = Mathf.Abs(totalDeltaRotation) % 360.0f;
        float angleRadians = absRotation * Mathf.Deg2Rad;

        float startAngle = adjustDeltaRotation < 0.0f ? -angleRadians : 0.0f;
        float filledAngle = angleRadians;

        LineFaceMesh meshRotation = null;
        LineFaceMesh meshAll = null;
        //画对应的旋转的90度面  
        if (currentAxis == AxisType.X)
        {
            meshRotation = DrawRotationArc(AxisType.X, this.transform.position, ZAxis, YAxis, startAngle, startAngle + filledAngle, toWidget, Color.red);
            meshAll = DrawRotationArc(AxisType.X, this.transform.position, ZAxis, YAxis, startAngle + filledAngle, startAngle + 2.0f * Mathf.PI, toWidget, Color.yellow);
        }
        else if (currentAxis == AxisType.Y)
        {
            meshRotation = DrawRotationArc(AxisType.Y, this.transform.position, XAxis, ZAxis, startAngle, startAngle + filledAngle, toWidget, Color.green);
            meshAll = DrawRotationArc(AxisType.Y, this.transform.position, XAxis, ZAxis, startAngle + filledAngle, startAngle + 2.0f * Mathf.PI, toWidget, Color.yellow);
        }
        else if (currentAxis == AxisType.Z)
        {
            meshRotation = DrawRotationArc(AxisType.Z, this.transform.position, XAxis, YAxis, startAngle, startAngle + filledAngle, toWidget, Color.blue);
            meshAll = DrawRotationArc(AxisType.Z, this.transform.position, XAxis, YAxis, startAngle + filledAngle, startAngle + 2.0f * Mathf.PI, toWidget, Color.yellow);
        }

        meshFilter.mesh = CombineMesh(false, meshRotation.FaceMesh, meshAll.FaceMesh);
        //给每个SubMesh对应材质
        meshRender.sharedMaterials = new Material[2] { lineMat, faceMat };
    }

    public LineFaceMesh DrawRotationArc(AxisType type, Vector3 inLocation, Vector3 axis0, Vector3 axis1, float inStartAngle, float inEndAngle, Vector3 toWidget, Color32 color)
    {
        Vector2 outAxis = new Vector2();
        return DrawRotationArc(type, inLocation, axis0, axis1, inStartAngle, inEndAngle, toWidget, color, ref outAxis);
    }
    ///X轴上，我们渲染YZ平面，先确定在摄像机->模型在Y轴与Z轴上的方向，再确定这个平面对应在屏幕上的方向
    public LineFaceMesh DrawRotationArc(AxisType type, Vector3 inLocation, Vector3 axis0, Vector3 axis1, float inStartAngle, float inEndAngle, Vector3 toWidget, Color32 color, ref Vector2 outAxisDir)
    {
        //确定采用轴的正向还是反向
        bool bMirrorAxis0 = Vector3.Dot(axis0, toWidget) <= 0.0f;
        bool bMirrorAxis1 = Vector3.Dot(axis1, toWidget) <= 0.0f;

        Vector3 renderAxis0 = bMirrorAxis0 ? axis0 : -axis0;
        Vector3 renderAxis1 = bMirrorAxis1 ? axis1 : -axis1;
        //画90度弧形
        var mesh = DrawThickArc(renderAxis0, renderAxis1, inStartAngle, inEndAngle, toWidget, color);

        //确定屏幕上对应方向
        float direction = (bMirrorAxis0 ^ bMirrorAxis1) ? -1.0f : 1.0f;
        var axisSceen0 = ScreenToPixel(this.transform.position + renderAxis0 * 64);
        var axisSceen1 = ScreenToPixel(this.transform.position + renderAxis1 * 64);

        outAxisDir = ((axisSceen1 - axisSceen0) * direction).normalized;
        return mesh;
    }

    //世界点转成屏幕对应的像素位置
    public Vector2 ScreenToPixel(Vector3 pos)
    {
        Vector4 loc = pos;
        loc.w = 1;
        //MVP 后的位置，其值在 DX/OpenGL 范围各不相同
        Vector4 mvpLoc = Camera.main.projectionMatrix * Camera.main.worldToCameraMatrix * loc;
        //四维数据转到三维，简单来说，X,Y,Z限定范围到DX/OpenGL所定义的包围圈中
        float InvW = 1.0f / mvpLoc.w;
        //这里是在DX下的范围，由[-1,1]映射到[0,1]中
        var x = (0.5f + mvpLoc.x * 0.5f * InvW) * Camera.main.pixelWidth;
        var y = (0.5f - mvpLoc.y * 0.5f * InvW) * Camera.main.pixelHeight;

        return new Vector2(x, y);
    }

    /// <summary>
    /// 动态生成以axis0和axis1组成的平面，以axis0为0度，画从inStartAngle到inEndAngle弧形
    /// </summary>
    public LineFaceMesh DrawThickArc(Vector3 axis0, Vector3 axis1, float inStartAngle, float inEndAngle, Vector3 toWidget, Color32 color)
    {
        LineFaceMesh lineFace = new LineFaceMesh();
        Mesh mesh = lineFace.FaceMesh;
        //Mesh lineMesh = lineFace.LineMesh;

        int numPoints = (int)(circleSide * (inEndAngle - inStartAngle) / (Mathf.PI / 2.0f)) + 1;
        Vector3 zAxis = Vector3.Cross(axis0, axis1);

        Vector3[] posArray = new Vector3[2 * numPoints + 2];
        Color32[] colorArray = new Color32[2 * numPoints + 2];
        Vector2[] uvArray = new Vector2[2 * numPoints + 2];
        //Vector3[] linePosArray = new Vector3[4 * numPoints + 4];

        int index = 0;
        Vector3 lastVertex = Vector3.zero;
        for (int radiusIndex = 0; radiusIndex < 2; ++radiusIndex)
        {
            float radius = (radiusIndex == 0) ? outerRadius : innerRadius;
            float tcRadius = radius / (float)innerRadius;

            for (int vectexIndex = 0; vectexIndex <= numPoints; vectexIndex++)
            {
                float percent = vectexIndex / (float)numPoints;
                float angle = Mathf.Lerp(inStartAngle, inEndAngle, percent);
                float angleDeg = angle * Mathf.Rad2Deg;

                Vector3 vertexDir = Quaternion.AngleAxis(angleDeg, zAxis) * axis0;
                vertexDir.Normalize();

                float tcAngle = percent * Mathf.PI / 2;

                Vector2 tc = new Vector2(tcRadius * Mathf.Cos(angle), tcRadius * Mathf.Sin(angle));
                Vector3 vertexPos = vertexDir * radius;

                posArray[index] = vertexPos;
                uvArray[index] = tc;
                colorArray[index] = color;

                ++index;
                lastVertex = vertexPos;
            }
        }
        mesh.vertices = posArray;
        mesh.uv = uvArray;
        mesh.colors32 = colorArray;

        int innerStart = numPoints + 1;
        int[] triArray = new int[3 * 2 * numPoints];
        index = 0;
        for (int vertexIndex = 0; vertexIndex < numPoints; vertexIndex++)
        {
            triArray[index++] = vertexIndex;
            triArray[index++] = vertexIndex + 1;
            triArray[index++] = vertexIndex + innerStart;
            triArray[index++] = vertexIndex + 1;
            triArray[index++] = vertexIndex + innerStart + 1;
            triArray[index++] = vertexIndex + innerStart;
        }
        mesh.triangles = triArray;
        lineFace.LineMesh = CreateLine(Vector3.zero, zAxis * innerRadius, color);
        return lineFace;
    }

    //创建一个线段
    public Mesh CreateLine(Vector3 start, Vector3 end, Color32 color)
    {
        Mesh mesh = new Mesh();
        mesh.vertices = new Vector3[2] { start, end };
        mesh.uv = new Vector2[2] { Vector2.zero, Vector2.zero };
        mesh.colors32 = new Color32[2] { color, color };
        mesh.SetIndices(new int[] { 0, 1 }, MeshTopology.Lines, 0);
        return mesh;
    }

    //Mesh.CombineMeshes 需要已经正确的subMesh indices，而这里的mesh的indices都是从0开始，自己写个
    public Mesh CombineMesh(bool mergeSubMeshes, params Mesh[] meshs)
    {
        List<Vector3> vectors = new List<Vector3>();
        List<Vector2> uvs = new List<Vector2>();
        List<Color32> colors = new List<Color32>();
        List<int> startIndexs = new List<int>();
        int start = 0;
        int indexCount = 0;
        bool bUV = true;
        bool bColor = true;
        foreach (var mesh in meshs)
        {
            vectors.AddRange(mesh.vertices);
            uvs.AddRange(mesh.uv);
            if (mesh.uv.Length == 0)
                bUV = false;
            colors.AddRange(mesh.colors32);
            if (mesh.colors32.Length == 0)
                bColor = false;
            startIndexs.Add(start);
            start += mesh.vertexCount;
            indexCount += mesh.GetIndices(0).Length;
        }

        var combineMesh = new Mesh();
        combineMesh.SetVertices(vectors);
        if (bUV)
            combineMesh.SetUVs(0, uvs);
        if (bColor)
            combineMesh.SetColors(colors);

        combineMesh.subMeshCount = mergeSubMeshes ? 1 : meshs.Length;
        int[] allIndices = new int[indexCount];
        int autoIndex = 0;
        for (int i = 0; i < meshs.Length; i++)
        {
            var indices = meshs[i].GetIndices(0);
            int count = indices.Length;
            int[] tris = new int[count];
            for (int j = 0; j < count; j++)
            {
                allIndices[autoIndex++] = indices[j] + startIndexs[i];
                tris[j] = indices[j] + startIndexs[i];
            }
            if (!mergeSubMeshes)
                combineMesh.SetIndices(tris, meshs[i].GetTopology(0), i);
        }
        if (mergeSubMeshes)
            combineMesh.SetIndices(allIndices, meshs[0].GetTopology(0), 0);
        return combineMesh;
    }
    #endregion

　　因为UE4中有RHI，所以只管放入相应Rendering Command,下面会自动合并，优化，而Unity因为高度集成，相反在写这些代码时比较麻烦，如上，我本意在场景里定义一个空的模型，加上我这个脚本后就能实现相应旋转，移动的功能，不引入别的任何内容，也不生成子GameObject，所以动态生成对应的MeshFilter与MeshRenderer要考虑如下需求。

　　1. 只有一个MeshFilter与MeshRender,这样我们可能要自己组装多个SubMesh.

　　2. 每个轴用不同的颜色表示，并且每轴需要二种绘制方式，三角面，线条。

　　3. 我们要优化渲染，需要最少的Material能完成就用最少的Material，以及最少的SubMesh.

　　4. 渲染需要，深度测试通过，但是不要写入深度缓存中,不受灯光影响。

　　5. 层次显示需要，面要透明，而线不需要透明。

　　一般来说，每个面用不同颜色表示，在Unity中就需要不同的Material,或运行时设置Material的变量，这样每个面就不能合并显示，我们需要能利用模型本身颜色的Shader,并且要满足上面第四点，通过Unity官方提供的Unity5Shader这个项目，我们找到GUI/Text Shader，满足上面的条件，这样，生成三个轴对应的面模型时，使用颜色数据，就能合并成一个SubMesh,使用一个Material渲染，我们知道，同一个SubMesh,不可能出现一个画三角面，一个线，这样我们最少有二个SubMesh。大家对照下Render_RotateArc这个方法，结合ComBineMesh这个方法，可能有的同学会问，Unity不是本身就提供了Mesh.CombineMeshs,使用这个合并不就OK了，Mesh.CombineMeshs这个方法需要本身的SubMesh对应的Indices里索引已经是全局数据的索引才可以用的，什么意思了，我们这边生成的三个Mesh,其indices里的数据都是针对本身的vectices的索引，用CombineMeshs合并后，后面的Mesh对应的索引就错了。

　　上面的这部分UE4与Unity代码几乎完全不同，需要大家自己修改成自己所需要的。

　　选择旋转轴的算法没用UE4的，用的一种非常简单的方法，大致思路，找到射线与圆的二个交点，把交点转到模型空间中，查看交点的x,y,z的值，那个值接近0，就是那个轴，想具体理解可见我前文 一个简单的旋转控制器与固定屏幕位置 ，里面也有求得移动轴的算法。 

　　最后，说一个简单的东东，原来我一直没搞出来，不管模型与摄像机的距离，旋转与移动操作都是合适的大小，我原来求出来的值，要么就是在距离少时，显示不对，要么就是在距离远时，显示不对，而UE4给出一个简单的式子，如下面代码。

Vector4 aposition = axisTransform.position;
            aposition.w = 1;
            float w = (Camera.main.projectionMatrix * Camera.main.worldToCameraMatrix * aposition).w;
            widgetScale = w * (4.0f / Camera.main.pixelWidth / Camera.main.projectionMatrix[0, 0]);

　　代码完整链接 UWidget.zip，就一个文件，在Unity场景中，根节点下建立一个GameObject,把这个脚本放上面去就行，对应UI如设置 世界/本地，旋转，移动都有相应API调用。