画地为Mask,随心所欲的高效遮罩组件[Unity]

在上一篇博文"扔掉遮罩,更好的圆形Image组件"中,笔者改变Image的顶点数据,使得Image呈圆形显示,避免了Mask的使用,从而节省Drawcall消耗,提高渲染效率了。这也启发了笔者,有没有可能通过同样原理实现Mask,做到在某些需要显示特定形状Icon的场景下,替代Unity原生Mask,且能保有节省Drawcall,减少渲染像素点,实现精确点击等优点?经过一番折腾,就有了MeshMask组件。

组件效果##

MeshMask遮罩效果图

可以看到无论Mask形状是凸边形还是复杂的凹边形,都能准确地将Mask形状数据序列化成顶点,面片数据,
提供给需要Mask的图片修改渲染顶点,达到遮罩效果。组件用法类似于Unity Mask,且效率优于Unity Mask。插件已上传至Github[点击下载], 欢迎试用~

效率对比##

使用原生Mask,10个Icon占用了15个Drawcall
使用MeshMask,10个Icon仅占用1个Drawcall
Scene切换到Overdraw模式:红框为Mask的Overdraw;蓝框为MeshMask的Overdraw

从上面三张图可以看到MeshMask相比Unity的Mask,在减少Drawcall消耗、Overdraw消耗等两方面都是完胜的。

Drawcall消耗#####

这10个icon都打包在同一图集的,使用Unity Mask,没办法享受图层合并,消耗了15个Drawcall;使用MeshMask的情况下,看截图里Batches为2,除去摄像机占用的1个Batch,10个icon仅占用1个Batch,即1个Drawcall。在Drawcall资源如此昂贵的情况下(一般机器都会要求Drawcall在200以下),这种性能节省效果非常显著。

Overdraw消耗#####

而看图三的Overdraw,使用Unity Mask的红框部分,被Mask的图片全部绘制一次,Unity Mask再做像素剔除,被Mask的部分又绘制了一次,总共需要绘制两次,且有一次是绘制了完全用不到的区域。使用MeshMask的蓝框部分,因为是靠改变顶点绘制出来的icon,因此仅有被Mask部分被绘制了一次。

面片消耗#####

当然,使用MeshMask的Image需要消耗比普通Image多一些的顶点和面片,观察Stats面板,使用MeshMsk的10个icon多占用1.3K的顶点和面片,即1个icon占用130个顶点,面片。然而GPU渲染顶点,面片的效率非常高(市面手机GPU渲染多边形数基本上2000-10000+万多边形/每秒以上),这点消耗跟Drawcall比起来就微不足道了。

小结#####

在渲染上,GPU、CPU两者的性能瓶颈往往是CPU;GPU的性能瓶颈往往是像素点填充率(Overdraw导致),CPU的性能瓶颈往往是Drawcall。所以,渲染性能排查,几项指标关注优先级应该是:Drawcall > Overdraw > 面片

组件使用##

MeshMask插件目录结构

插件里有MeshMask、MeshImage、MeshButton三个UI组件

MeshMask组件Inspector面板

MeshMask组件作用类似Unity Mask,依赖了Image及PolygonCollider2D组件,带有[根据Image组件生成Mask]、[根据Collider组件生成Mask]两个菜单项,支持两种方式生成Mask数据。

被遮罩GameOjecct的Inspector面板

MeshImage、MeshButton组件挂在需要被遮罩的GameObject上,设置好MeshMask对象,就能获得数据,实现遮罩或者精确点击。

组件实现##

不同于CircleImage,只需要简单的对圆形进行顶点,面片计算;MeshMask要考虑几个点:

  1. 需要能对所有可能的图形进行顶点,面片计算。
  2. 考虑顶点,面片计算需要读取Image,且有一定性能开销,所以不能在Run-time中实时计算数据,需要预先计算好vertices,triangle数据,并序列化存放在GameObject中,运行时读取。
  3. 保证MeshMask灵活性,除了根据Image进行顶点,面片计算,希望像PS一样,提供路径工具,让开发可以可视化地新增、修改Mask形状。
  4. 对所有图形支持像素级点击判断

其中做顶点,面片计算这一步比较麻烦,涉及以下几个技术点:

图片处理流程

边缘检测####

边缘检测算法算是图形学应用最广泛最基础的算法了,主要原理是滤波器对图形进行滤波从而得到梯度图像,通过判断梯度图像的某像素点灰度值是否超过阈值,就能判断该点是否为边缘点。笔者采用了简单的Sobel算子边缘检测算法。

Sobel算子:3x3的矩形滤波器
A代表原始图像,Gx及Gy分别代表经横向及纵向边缘检测的图像灰度值
图像某像素点灰度值
通常,为了提高效率 使用不开平方的近似值

这里拿米老鼠图来做示例图,看看Sobel边缘检测的效果。


原图
sobel边缘检测后的灰度图

可以看到算法效果不错,但我们并不需要这么多边缘“信息”,只需要最外围的边缘“信息”。因此将非透明区域都填充成统一的颜色,再做边缘检测。

最终效果:理想的外围边缘

离散化####

获得了外围边缘信息后,下一步需要做离散化:剔除冗余信息,并将边缘信息以有序集合的形式表示。这个有序集合,就是渲染底层所需要的顶点数据。

冗余顶点:对于边缘的直线,除直线首尾两点外,其他点都是冗余可剔除的。
有序集合:集合点依次连接起来,就如同用笔按逆时针/顺时针方向画出来的边缘图形。

笔者挑选了边缘点集中x最小的点作为起始点,以顺时针顺序查找邻接点的方法来计算有序顶点集。

算法步骤:

  1. 选择边缘点集x最小的点为起始点,当前点
  2. 查找当前点周边8个像素点是否有边缘点,如都没有就继续向外围一圈,直到找到边缘点。
  3. 当找到多个边缘点情况下,比较当前点与各边缘点所呈夹角,选夹角最小的边缘点作为邻接点。
  4. 若邻接点即为起始点,则算法结束,否则继续
  5. 判断邻接点与有序顶点集最后一个点是否共边,若共边则删除最后一个点
  6. 将邻接点加入有序顶点集
  7. 设置邻接点为当前点,重复步骤2
删除共边顶点图示:当C即将加入顶点集中,发现ABC三点共边的情况,删除中间点B

三角化####

三角化(Triangulation)也是图形学应用较多的算法了,特别是在3D建模、游戏领域。三角化是指从一组已知点集中,构建出三角形网格。随着构建条件不同,三角化算法也不同。像最近LowPoly绘画风格比较热门,一些滤镜软件会支持LowPoly转换。软件在将一张普通图像转换位LowPoly图像的过程中,除了一样要做边缘检测,离散化外,在三角化这一步,需要生成显示质量较高的三角形,不能有过于狭长的三角形,就需要用Delaunay算法。在我们这个场景下,对生成的三角形并没有特殊要求,不需要用上复杂的Delaunay算法,Unity3d wiki社区上提供了一个简单的三角化算法,刚好适用。

算法原理
从点集中随机挑选三点组成三角形,然后遍历其他点,看是否有点落在三角形内,如果三角形内无点则为合格三角形。循环此过程直到所有点都被处理。

可视化编辑####

经过前面处理,我们已经拿到了顶点数据、面片数据。笔者希望组件能将这些顶点数据可视化,以便让使用者直观了解处理结果。Unity自带的PolygonCollider2D组件,正好适用。

public sealed class PolygonCollider2D : Collider2D
{
      ....
      public void SetPath(int index, Vector2[] points);
}

通过SetPath接口将顶点数据传入PolygonCollider2D 组件,PolygonCollider2D完美地生成米老鼠的路径。在一开始实验中,笔者惊奇地发现组件竟然也对顶点做了三角化处理。遗憾地是,组件并没有提供接口获取三角化结果,Unity社区的技术人员也承认此点,说Unity的未来版本可能会考虑暴露此接口,并建议自己做三角化处理,就是前面所说的算法(汗.. = . = ||)。通过下图比较,可以看到组件跟算法的三角化结果还是有所不同的。

顶点数据传入PolygonCollider2D后的效果
算法处理后的三角化效果

利用PolygonCollider2D组件除了让我们可以看到顶点结果,还可以通过Inspector上的[Edit Collider]按钮微调,顶点的位置,做出更理想的Mask效果。
甚至,我们可以直接利用PolygonCollider2D组件,从无到有地编辑Mask形状后,再三角化处理获得面片数据。

直接用PolygonCollider2D编辑出来的“爱心”

渲染####

已经有了顶点数据,面片数据,终于到了最后的渲染步骤。笔者利用MeshMask组件存放这些数据,并不直接渲染MeshMask,而是在MeshMask子节点下添加MeshImage组件,进行修改顶点渲染。
在5.3版本里,Unity提供了BaseMeshEffect类,是Unity提供给开发者用于给Graphic进行二次修改绘制的类,我们可以在ModifyMesh方法中修改VertexHelper携带的顶点,面片,uv等数据来改变渲染。(在5.3之前的版本,对应的类和接口是BaseVertexEffect、ModifyVertices)
MeshImage继承BaseMeshEffect,在ModifyMesh里先将VertexHelper的原有数据清空,获取MeshMask的顶点、面片数据,经过坐标转换后将再传给VertexHelper。

public abstract class BaseMeshEffect : UIBehaviour, IMeshModifier
{
      public abstract void ModifyMesh(VertexHelper vh);
}

public class MeshImage : BaseMeshEffect{
  
  ...
  public override void ModifyMesh(VertexHelper vh)
  {
    if (this.enabled)
    {
        vh.Clear();
        _uiVertices.Clear();
        if (mask)
        {
            if (mask.vertices != null && mask.triangles != null)
            {
                float tw = image.rectTransform.rect.width;
                float th = image.rectTransform.rect.height;
                Vector4 uv = image.overrideSprite != null ? DataUtility.GetOuterUV(image.overrideSprite) : Vector4.zero;
                float uvCenterX = (uv.x + uv.z) * image.rectTransform.pivot.x;
                float uvCenterY = (uv.y + uv.w) * image.rectTransform.pivot.y;
                float uvScaleX = (uv.z - uv.x) / tw;
                float uvScaleY = (uv.w - uv.y) / th;
                List<Vector3> vertices = this.mask.vertices.Select(
                    x => { return this.transform.InverseTransformPoint(this.mask.transform.TransformPoint(x)); }).ToList();

                for (int i = 0; i < mask.vertices.Count; i++)
                {
                    UIVertex v = new UIVertex();
                    v.color = image.color;
                    v.position = vertices[i];
                    v.uv0 = new Vector2(v.position.x * uvScaleX + uvCenterX, v.position.y * uvScaleY + uvCenterY);
                    _uiVertices.Add(v);
                }

                vh.AddUIVertexStream(_uiVertices, mask.triangles);
            }
        }
    }
  }
}
拖动MeshImage的位置,图片外显区域始终限定在米老鼠Mask内

像素级精确点击####

如上篇博文所讲,为了实现精确点击,Unity提供了eventAlphaThreshold字段,但有着Sprite占用双倍内存,无法合入图集等缺陷,而MeshButton组件正好解决了痛点。MeshButton实现ICanvasRaycastFilter接口类,实现IsRaycastLocationValid方法,在方法内获取MeshMask的顶点数据,通过Ray-Crossing算法就可以判断点击点是否在区域内。

public class MeshButton : UIBehaviour, ICanvasRaycastFilter
{
    public virtual bool IsRaycastLocationValid(Vector2 screenPoint, Camera eventCamera){

        //Stopwatch sw = new Stopwatch();
        //sw.Start();

        Sprite sprite = image.overrideSprite;
        if (sprite == null)
            return true;

        bool ret = true;
        if (this.mask != null && this.mask.vertices != null)
        {
            Vector2 local;
            RectTransformUtility.ScreenPointToLocalPointInRectangle(image.rectTransform, screenPoint, eventCamera, out local);

            List<Vector2> vertices = this.mask.vertices.Select(
                x =>
                {
                    Vector3 p = this.transform.InverseTransformPoint(this.mask.transform.TransformPoint(x));
                    return new Vector2(p.x, p.y);
                }).ToList();

            ret = ImageUtil.Contains(local, vertices);
        }

        //sw.Stop();
        //UnityEngine.Debug.Log("点击检测耗时:" + sw.ElapsedTicks + " tick");

        return ret;
    }
}

关于MeshMask##

  1. MeshMask组件适合用来显示特殊形状的Icon。MeshMask并不能完全取代Unity Mask,在需要显示特殊形状Icon时作为Unity Mask的替代方案,能达到提高渲染效率的目的,减少Unity Mask的不必要使用。
  2. 被Mask的图片如果被移出Mask范围外,会因为Sprite Wrap mode而出现边缘像素拉伸,或者贴图重复的问题,这个问题暂时不能很好解决,因为Sprite Wrap mode必须设置为clamp或者repeat,就会出现这种问题。只能设置为clamp后,人为为贴图边缘留1px的透明边解决。好在,做特殊形状Icon的使用场景下,基本无须担心这个问题。

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