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Unity正交相机智能包围物体(组)方案

gentlesunshine 2020-11-10 21:34 原文

Unity正交相机智能包围物体(组)方案

目录

一、技术背景

今晚是双十一，祝大家剁手愉快啊明天还得做个快乐的打工人，哈哈_~

进入正题，最近要做个小地图显示，网上也有许多相关文章或技术实现，主要是通过一个额外的相机渲染出一张Textrue投送到UI上实现，但是在我这里的需求有点不一样，需要选择到地图上的实际物体。因此，我就想直接使用相机渲染输出，一般小地图都是用正交相机，由此引发出如何自动改变改变正交相机的参数，从而使得想要被渲染的物体刚好在相机中的问题。

本篇文章主要就是解决上述问题，如何将Unity中正交相机的视野自动包裹住想要看到的物体。下面我们先对相关概念进行介绍。

二、相关概念

2.1 正交摄像机

Unity中的相机大家肯定都十分熟悉了，主要有两种摄像机，即透视摄像机（Perspective）和正交摄像机（Orthographic）。

image-20201105184715914

透视摄像机是我们一般默认的相机类型，它的视野窗口是一个四锥体，相机会根据离物体的远近而改变物体大小，就如同我们的眼睛一样，如下图：

1

正交摄像机的视野窗口则是一个长方体，它所看到的东西则是物体的投影，不会因为相机距离物体的远近而改变视野，还需要注意，若相机超过物体，那么相机还是会不渲染物体，后面会讲到正交相机的高度设置问题，如下图：

2

正交相机由于以上特性，因此也比较适用于做2D游戏、制作小地图等用途。弄清楚上面简单的概念，我们下面讲一下正交相机比较重要的参数，这些参数都是我们要用到的。

2.2 正交相机的Size

提起正交相机，就不得不讲一下它的Size属性了，这个属性也是我们要在后面自动修改的值。首先看一下这个值是什么含义，一般默认的正交相机的Size为5，如下图：

image-20201105190418357

那么这个5代表什么意思呢？我们在场景（0,0,0）点处放一个Cube，然后在（0，0，-10）处放正交相机，我们先来看一下其完整渲染画面如何：

image-20201105190618952

观察上述截图，我们知道Unity中标准的一个Cube长宽高都为1，那么在这个正交相机渲染的画面中，怎么得出Size为5的呢？下面我们再来看一张图：

image-20201105191802145

我在场景中又加了10个Cube，这样我们就可以明显看出来，原来Size=5的意思是正交摄像机显示高度的一半尺寸为5。那么将相机的Size改为10看一下效果：

image-20201105192243592

可以看到，现在在视野中，Cube组的上下各空出5个单位的距离。至此，关于正交摄像机的Size属性相信你已经很了解了，这个属性如何设置是我们解决开头问题的一个关键。

2.3 相机的Aspect

Unity相机有一个通用属性aspect，这个属性摄像机显示区域的宽、高比，在其初始化的时候会默认设置成当前屏幕的宽高比，也可以通过改变相机的Rect来改变该值。

aspect值再结合2.2中正交相机的size含义，我们就可以推算出正交相机渲染画面的大小，即画面高、宽分别为：

camera.height=camera.orthographicSize*2f

camera.width=height*camera.aspect

例如我们刚才的例子，屏幕为1920*1080，相机的Viewport Rect为（0,0,1,1），则：

camera.aspect=(1920*1)/(1080*1)=1.77778

camera.height=5*2=10

camera.width=10*1.77778=17.7778

2.4 包围盒

关于包围盒算法，网上有许多介绍，例如包围盒算法是一种求离散点集最优包围空间的方法。基本思想就是用体积稍大且特性简单的几何体（包围盒）来近似地代替复杂的集合对象。如下图，给三个物体生成了一个AABB包围盒的碰撞体（AABB包围盒定义为包含该对象，且边平行于坐标轴的最小六面体。还有其他几种包围盒的形式，我们这里主要使用AABB包围盒）。

image-20201106165837660

在这里，我们只需要了解包围盒的概念就好，因为需要用包围盒来计算需要包围物体的范围是多少，从而计算正交相机的Size。Unity中的包围盒用结构体——Bounds来表示。再者注意上图为了示意包围盒，我将其做成了碰撞体显示出来。

三、解决方案

解决我们开头的问题，首先要分析一下需要解决什么问题：

  • 求得物体（组）的正交投影范围；
  • 移动正交相机到物体组上方的中心位置，并自动调整Size。

针对第一个问题，问题的本质其实是求物体（组）的包围盒，进而算得物体的正交投影大小。

3.1 求物体的包围盒

求包围盒的算法我们可以利用Unity中的API快速算出，思路就是利用物体（组）的Render组件来求出包围盒的中心点及边界信息，具体做法如下：

先将要计算包围盒的物体（组）放到统一个父物体下，例如上面的例子，包括Sphere、Cube和Capsule，如下图：

image-20201109183030884

然后利用一下代码进行计算：

/// <summary>
/// 获取物体包围盒
/// </summary>
/// <param name="obj">父物体</param>
/// <returns>返回该物体（组）的包围盒</returns>
private Bounds GetBoundPointsByObj(GameObject obj)
{
    var bounds = new Bounds();
    if (obj != null)
    {//获得所有子物体的Render
        var renders = obj.GetComponentsInChildren<Renderer>();
        if (renders != null)
        {
            //计算包围盒的中心点
            var boundscenter = Vector3.zero;
            foreach (var item in renders)
            {
                boundscenter += item.bounds.center;
            }
            if (obj.transform.childCount > 0)
                boundscenter /= obj.transform.childCount;
            //新建一个包围盒
            bounds = new Bounds(boundscenter, Vector3.zero);
            foreach (var item in renders)
            {//构建包围盒
                bounds.Encapsulate(item.bounds);
            }
        }
    }
    return bounds;
}

以上代码不难理解，就是先求最终包围盒的中心点，然后再从中心点开始逐步向外计算包围盒，bounds.Encapsulate(Bounds bounds)即为扩大包围盒函数。

根据以上方法，我们就可以得到一个包围着Sphere、Cube和Capsule的包围盒，这个立方体包围盒肯定是可以将这个物体组以最小六面体包围的。

3.2 正交相机参数设置——位置、Size

3.2.1 正交相机位置计算

由上一节中，我们计算出来了物体组的包围盒，如果想使得正交相机的视野都包含该物体组，那么正交相机的位置肯定为包围盒的中心点，或者说将该物体组放到正交相机的视野中心，如下图：

image-20201109191847723

注意，由上图，我们的这里的正交相机是对准x-y平面的，相机的深度方向在z轴上，因此在x-y平面上，相机若要在该物体组的中心点处，则：

camera.position.x = new Vector3(bound.center.x, bound.center.y, bound.center.z+k);

还观察到相机的z坐标加了一个数k，这个k是需要根据自己的情况来给定的，例如我这个例子中，相机在物体组的后面，因此k需要给定一个足够小的负值，否则相机跑到物体组的前面或里面的话，就不能完全包围物体组了：

image-20201109192247848

3.2.2 正交相机Size计算

OK，我们来看一下这个方案中关键的一点，如何设置正交相机的Size，先直接上代码来看一下：

public float ScreenScaleFactor;//占屏比例系数
/// <summary>
/// 设置正交相机的Size
/// </summary>
/// <param name="xmin">包围盒x方向最小值</param>
/// <param name="xmax">包围盒x方向最大值</param>
/// <param name="ymin">包围盒y方向最小值</param>
/// <param name="ymax">包围盒y方向最大值</param>
private void SetOrthCameraSize(float xmin, float xmax, float ymin, float ymax)
{
    float xDis = xmax - xmin;//x方向包围盒尺寸
    float yDis = ymax - ymin;//y方向包围盒尺寸
    float sizeX = xDis / ScreenScaleFactor / 2 / SetCamera.aspect;
    float sizeY = yDis / ScreenScaleFactor / 2;
    if (sizeX >= sizeY)//从X或Y方向选择一个合适的相机Size
        SetCamera.orthographicSize = sizeX;
    else
        SetCamera.orthographicSize = sizeY;
}

这段代码量较少，但是要搞透还是需要一些理解，简单来讲，就是通过包围盒的平面尺寸来反推相机的Size是多少。

我们先将上述式子中的ScreenScaleFactor=1。首先我们回忆一下正交相机的Size是什么意思：Size为视野高度的一半。则如果想把物体组的Y方向尺寸全部包含到视野中，那么就有：

sizeY=yDis/2

那么为什么又要算一个sizeX呢？因为sizeY实际上只适用于要包含物体组的高宽比大于1的情况（即高大于宽），而当物体组宽大于高的话，再利用sizeY来当做正交相机的Size就有可能显示不全。这也很好理解，要让相机包围物体组，那肯定是选一个较大的边来处理。这样，由camera.aspect，sizeX就为：

sizeX=xDis/2/camera.aspect

我们来做一个实验，新建一个Cube，当Cube的高为10，宽为1时，此时使用的是sizeY，显示如下：

image-20201110163512109

当Cube的高为1，宽为10时，此时使用的是sizeX，显示如下：

image-20201110163557917

OK，上面的内容理解的话，我们再来看一下ScreenScaleFactor参数，这个参数现在应该就很好理解了，其实它就是屏占比的意思，例如我们在后一个例子上，将ScreenScaleFactor=0.8f，则有：

image-20201110163837130

或者令ScreenScaleFactor=0.5f，则有：

image-20201110163944560

根据上述例子，相信大家对ScreenScaleFactor这个比例系数的含义也明白了。

四、总结

以上就是我对于正交相机只能包围物体（组）的解决方案，主要还是理解其中的原理，下面附上完整源码：

public class Test : MonoBehaviour
{
    public GameObject Obj;//要包围的物体
    public Camera SetCamera;//正交相机
    public float ScreenScaleFactor;//占屏比例系数

    private void Start()
    {
        var bound = GetBoundPointsByObj(Obj);
        var center = bound.center;
        var extents = bound.extents;
        SetCamera.transform.position = new Vector3(center.x, center.y, center.z - 10);
        SetOrthCameraSize(center.x - extents.x, center.x + extents.x, center.y - extents.y, center.y + extents.y);
    }
    /// <summary>
    /// 获取物体包围盒
    /// </summary>
    /// <param name="obj">父物体</param>
    /// <returns>物体包围盒</returns>
    private Bounds GetBoundPointsByObj(GameObject obj)
    {
        var bounds = new Bounds();
        if (obj != null)
        {
            var renders = obj.GetComponentsInChildren<Renderer>();
            if (renders != null)
            {
                var boundscenter = Vector3.zero;
                foreach (var item in renders)
                {
                    boundscenter += item.bounds.center;
                }
                if (obj.transform.childCount > 0)
                    boundscenter /= obj.transform.childCount;
                bounds = new Bounds(boundscenter, Vector3.zero);
                foreach (var item in renders)
                {
                    bounds.Encapsulate(item.bounds);
                }
            }
        }
        return bounds;
    }
    /// <summary>
    /// 设置正交相机的Size
    /// </summary>
    /// <param name="xmin">包围盒x方向最小值</param>
    /// <param name="xmax">包围盒x方向最大值</param>
    /// <param name="ymin">包围盒y方向最小值</param>
    /// <param name="ymax">包围盒y方向最大值</param>
    private void SetOrthCameraSize(float xmin, float xmax, float ymin, float ymax)
    {
        float xDis = xmax - xmin;
        float yDis = ymax - ymin;
        float sizeX = xDis / ScreenScaleFactor / 2 / SetCamera.aspect;
        float sizeY = yDis / ScreenScaleFactor / 2;
        if (sizeX >= sizeY)
            SetCamera.orthographicSize = sizeX;
        else
            SetCamera.orthographicSize = sizeY;
    }
}

写文不易~因此做以下申明：

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