〔Part 2〕Oculus Medium移动工具的开发日记

小编刘卫华 | 分类：快讯 / 研发 | 发布日期 2017年12月29日

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文章相关引用及参考：oculus

本文来自Oculus的David Farrell

（映维网 2017年12月29日） Oculus Medium是一款专为Touch设计的沉浸式VR体验，你可以在VR环境之中雕刻，建模，绘制和创建有形对象。Oculus最近添加了Move Tool，它允许用户抓拿，移动和重新设置雕刻作品的一部分。“Move Tool”是Medium“Summer of Move”（1.2版本）更新的主要功能之一，这也是Medium用户长期以来的反馈要求。

延伸阅读：〔Part 1〕Oculus Medium移动工具的开发日记

在先前的文章中，我们探讨了Move Tool的开发过程，以及部分行之有效和无效的方向。在本文中，我们将指向距离字段和三角网格将如何为曲面呈现带来帮助，Medium如何将三角网格转换成指向距离字段，以及可以应用于其他雕刻操作的部分方法。

1. 两种互补的曲面呈现

在Medium中，雕刻操作支持指向距离字段。自Medium的早期版本以来，渲染器都在使用通过Transvoxel算法生成的三角网格。Transvoxel是一种类似于Marching Cubes的技术，能够创建多个可以无缝拼接在一起的细节层次三角形网格。GPU将渲染这种三角网格，而不是渲染SDF的隐式曲面。

在开发Move Tool的时候，我们探索了如何将三角网格转换回指向距离字段呈现。我们惊喜地发现，三角网格到SDF的转换质量比我们预期要高。虽然这是一个有损失的转换，但在实践中，用户在Medium中无法感知数据的损失。

我们意识到能够选择SDF或网格呈现进行雕刻操作是一项强大的技术。每个呈现都有其优点和缺点，而彼此之间可以相辅相成

1）指向距离字段（SDF）:

优点:

布尔CSG操作简单而强大
曲面永远是严密的，永远不会自相交
点明确位于曲面之内或曲面之外
拓扑修改十分容易

缺点:

难以用常规方法移动曲面

2）三角网格：

优点：

计算机图形学中最常见的呈现形式
网格的顶点十分容易移动

缺点：

难以实现稳定的布尔CSG操作
很难检测和修复自相交表面

在完成Move Tool后，我们发现我们可以使用任意一种曲面呈现方法，并彼此进行转换。这是一种强大的技术，我们不仅将其用于Move Tool，同时会应用于其他雕刻操作。

左边是显示为线框三角网格的雕刻；右边则是代表同一雕刻的指向距离字段

2. 从三角网格到SDF

为了将三角网格转换为SDF，Medium假设输入三角网格为双面曲形。Transvoxel生成的所有网格都是如此，因为指向距离字段表示的曲面始终为双面曲形。这个假设可以很容易确定一个给定点是位于网格内部还是网格外部。

转换通过以下步骤完成：

1）光栅化网格，将其变成逐个像素的片段列表

对于任何严密双面曲形网格，你可以从该点出发的任意方向投射光线，并计算光线穿过的曲面数量来确定点是位于曲面内部还是曲面外部。如果穿过的数量为偶数，则该点位于曲面之外，如果数量为奇数，则该点位于曲面之内。由于光线可以往任意方向投射，所以我们把X轴的光栅化应用至到YZ平面上，而不是使用光线追踪来查找曲面。光栅化和光线追踪有许多共同之处，但在这种情况下，光栅化意味着我们可以避免构建像光线追踪所需的加速结构。

在光栅化过程中，我们创建了逐个像素的片段列表，并记录片段是来自前向还是后向三角形。每个光栅化片段都记录在逐个像素列表中；这里没有深度缓冲区测试来拒绝片段。这些列表会在下一步中使用。

这是光栅化的片段。浅绿色片段为前向，深绿色片段则是后向：

2）通过配对前向和后向的片段来生成内部区域的span

在光栅化所有三角形后，我们迭代了每个像素的片段列表。我们按照深度坐标对每个列表中的片段进行排序，配对相应的前向片段和后向片段。这些配对表示对象的内部区域，并存储为spans（片段配对的起始和结束X坐标。有了这些信息，我们就能知道输出指向距离字段中任意点的指向。

以下是spans的渲染图（洋红色）：

3）在边界框中，和每个三角性周围生成未指向距离

Medium将其数据存储在一个窄带水平集中，其中窄带宽度为每个方向2 voxel。由于我们只关心窄带数据，因此网格到SDF的转换代码将围绕每一个三角形形成一个边界框，并且令边界框膨胀，使其包含窄带。在边界框中的每个网格点处，我们找到了从该网格点到该三角形的指向距离。如果这个三角形是最接近网格点的那一个（如果距离小于当前值），我们更新网格点的距离值。

这些距离值存储在8×8×8 voxel的区块中。我们不需要窄带以外的距离值，所以这些区块将稀疏地进行存储以节省内存。利用这些信息，我们知道输出指向距离字段中任意点的指向距离。

3. 将它们整合在一起

一旦这些步骤完成，我们就得到了我们所需要的指向距离字段的所有信息。对于3D网格中的任何点，我们使用步骤2的结果来查看一个span是否覆盖了该点，因此是否出现一个正数或负数指向。从步骤3的结果中，我们知道该点的距离大小。结合两者，我们将知道该点的指向距离。

从指向距离字段 → 三角网格 → 变形三角网格 → 回到指向距离字段

4. MOVE TOOL之外

除了Move Tool之外，使用两个互补的曲面呈现同样能为其他雕刻操作中带来帮助。

4.1 改变分辨率

Medium 1.0有一种方法来提高雕刻层的分辨率，但没有办法降低分辨率。这是因为我们最多只能将距离值存储为一个窄带的距离。当提高分辨率时，点会被缩放，使得彼此间更加靠近，而它们能够保持在窄带之内。但在降低分辨率的时候，点就会更加远离彼此。如果它们被缩放至窄带之外，它们的距离值被限制在窄带的最大值，而这实际上没有任何意义。

我们意识到，通过采用SDF的三角网格，缩放网格，然后将其转换回SDF，我们能够支持Decrease Resolution（降低分辨率）的操作。这样做的效果很好，我们重新实施了原来的Increase Resolution（提高分辨率），以此来做同样的事情，只需缩放一个不同的值即可。这甚至可以用于包含非均匀比例的分辨率更改。

三个Increase Resolution操作之后的三个Dncrease Resolution操作

4.2 Copy To Clay

另一个有用的雕刻操作是Copy To Clay。该操作将导入由Medium创建的3D三角网格，并将其转换为可雕刻的SDF数据。这是三角网格到SDF代码的简单方法，需要注意的是，上面描述的网格到SDF技术假定三角网格为双曲面。对于在Medium以外创建的网格，这并非都是如此。所以为了能够支持任意网格，Copy To Clay代码对网格进行了三次光栅化，并在三个不同方向上创建了span：沿X轴向下，沿Y轴向下，沿Z轴向下。对于每一个点，我们根据三个方向上的span进行表决。一致的两个（理想情况下是三个）span将用于决定该点是否位于对象内部。这不是一个完美的解决方案，但确实解决了许多有问题的网格。

左边是在Medium之外创建的网格的线框视图；右边是导入至Medium中的相同网格，并复制到黏土。

4.3 细节层次

当我们实施Decrease Resolution的时候，我们注意到的第一件事情是，先进行Increase Resolution再进行Dncrease Resolution操作能够实现非常好的细节层次网格。细节会逐渐消失在雕刻的每个更小的版本中。我们意识到，通过以较低分辨率SDF重新扫描雕刻的三角网格来生成细节层次网格非常容易和快速。我们正在研究这个功能，以便在Medium主屏和网页中快速生成用于缩略图查看的小型预览网格。 Medium从1.1更新开始就能够提取和导出网格物体，但通过这种方法来产生细节层次要比Medium的边折叠抽取器更快。

原来的高分辨率

更低分辨率的LOD网格

然而，通过这种方法来生成LOD网格存在两个问题：首先，这种LOD方案导致细节的统一损失，而更传统的边折叠抽取器能够保持更精细的细节。Medium的抽取器使用二次误差度量来指导边折叠，这会保留网格中的特征，但需要更多时间进行计算。其次，对网格进行下降采样会导致混叠，从而导致LOD网格缺失几何。一个简单的例子是，当网格一部分介于网格采样点之间的时候。尽管这些点的距离值是正确的，但它们都带有一个正指向（亦即它们位于雕刻曲面之外），而且等效曲面提取算法不会在这些样本之间放置三角形。