ARFoundation之路－平面管理

  平面檢測是很多AR應用的基礎，無論是ARKit還是ARCore，都提供平面檢測功能。同時，平面也是可跟蹤對象，在前幾節中我們知道，ARFoundation使用ARPlaneManager管理器來管理平面。

（一）平面檢測管理

  AR中檢測平面的原理：ARFoundation對攝像機獲取的圖像進行處理，分離圖像中的特徵點（這些特徵點往往都是圖像中明暗、強弱、顏色變化較大的點），利用VIO和IMU跟蹤這些特徵點的三維空間信息，在跟蹤過程中，對特徵點信息進行處理，並嘗試用空間中位置相近或者符合一定規律的特徵點構建平面，如果成功就是檢測出了平面。平面有其位置、方向和邊界信息，ARPlaneManager負責如何檢測平面以及管理這些檢測出來的平面，但它並不負責渲染平面。

  在ARPlaneManager中，我們可以設置平面檢測的方式，如水平平面（Horizontal）、垂直平面（Vertical）、水平平面&垂直平面（Everything）或者不檢測平面（Nothing），因爲檢測平面也是一個消耗性能的工作，所以根據應用需要選擇合適的檢測方式可以優化應用性能，如下圖所示。

  ARPlaneManager每幀都會進行平面檢測，會添加新檢測到的平面、更新現有平面、移除過時的平面。當一個新的平面被檢測到時，ARPlaneManager會實例化一個平面Prefab來表示該平面，如果開發中ARPlaneManager的Plane Prefab屬性沒有對賦值，ARPlaneManager將會實例化一個空對象，並在這個空對象上掛載ARPlane組件，ARPlane組件包含了該平面的相關信息數據。

  ARPlaneManager組件還有一個planesChanged事件，開發人員可以註冊這個事件，以便在平面發生改變時進行相應處理。

（二）可視化平面

  在ARFoundation中，ARPlaneManager並不負責平面的可視化渲染，而由其Plane Prefab屬性指定的預製體負責。在前文中，我們新建了一個AR Default Plane對象作爲預製體，該預製體上掛載瞭如下圖所示組件。

  AR Plane組件負責該平面各類屬性事宜，如是否在移除平面時銷燬該實例化對象，控制可劃分爲同一平面的特徵點的閥值（上圖中紅框屬性，只有偏差在這個閥值內的特徵點纔可歸屬爲同一平面，這影響平面檢測。）；AR Plane Mesh Visualizer該組件主要是從邊界特徵點和其他特徵點三角化生成一個平面網格，有這個平面網格後自然就可以使用Mesh Renderer採用合適材質渲染出來了；默認平面預製體還有一個Line Renderer，它負責渲染平面可視化後的邊界連線。所以使用默認平面預製體可視已檢測到的平面如下圖所示。

（三）個性化可視平面

  對已檢測到的平面默認的可視化顯得有些生硬和突兀，有時我們需要更加友好的界面，這時我們就需要對已檢測到的平面定製我們自己個性的可視方案。

  爲達到更好的視覺效果，處理的思路如下：
  1）、不顯示黑色邊框；
  2）、重新制作一個渲染材質和Shader腳本，紋理我們使用半透明的PNG，Shader腳本渲染這個半透明的紋理，將紋理空白區域都鏤空；
  3）、編寫一個漸隱的腳本，讓邊緣的紋理漸隱，達到更好的視覺過渡。

  按照以上思路，我們直接對AR Default Plane預製體進行改造。
  1）、刪除AR Default Plane預製體上的Line Renderer組件；
  2）、編寫如下所示Shader，製作一張PNG半透明紋理，並新建一個利用這個Shader的材質。

Shader "Unlit/FeatheredPlaneShader"
{
	Properties
	{
		_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
		_TexTintColor("Texture Tint Color", Color) = (1,1,1,1)
		_PlaneColor("Plane Color", Color) = (1,1,1,1)
	}
	SubShader
	{
		Tags { "RenderType"="Transparent" "Queue"="Transparent" }
		LOD 100
		Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
		ZWrite Off

		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "UnityCG.cginc"

			struct appdata
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float3 uv2 : TEXCOORD1;
			};

			struct v2f
			{
				float4 vertex : SV_POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float3 uv2 : TEXCOORD1;
			};

			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed4 _TexTintColor;
			fixed4 _PlaneColor;
			float _ShortestUVMapping;

			v2f vert (appdata v)
			{
				v2f o;
				o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
				o.uv2 = v.uv2;
				return o;
			}
			
			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
			{
				fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _TexTintColor;
				col = lerp( _PlaneColor, col, col.a);
				// Fade out from as we pass the edge.
				// uv2.x stores a mapped UV that will be "1" at the beginning of the feathering.
				// We fade until we reach at the edge of the shortest UV mapping.
				// This is the remmaped UV value at the vertex.
				// We choose the shorted one so that ll edges will fade out completely.
				// See ARFeatheredPlaneMeshVisualizer.cs for more details.
				col.a *=  1-smoothstep(1, _ShortestUVMapping, i.uv2.x);
				return col;
			}
			ENDCG
		}
	}
}

  在這個Shader中，有三個參數，Texture即爲紋理，將我們製作的紋理賦給它，TextureTintColor爲紋理顯示，我們要讓透明的十字星號顯示出來，Alpha設置爲220，PlaneColor爲平面的背景色，這裏我們不要背景色，Alpha設置爲0，如下圖所示。

  3）、新建一個C#腳本文件，命名爲ARFeatheredPlaneMeshVisualizer.cs，編寫如下代碼：

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using UnityEngine.XR.ARFoundation;

/// <summary>
/// This plane visualizer demonstrates the use of a feathering effect
/// at the edge of the detected plane, which reduces the visual impression
/// of a hard edge.
/// </summary>
[RequireComponent(typeof(ARPlaneMeshVisualizer), typeof(MeshRenderer), typeof(ARPlane))]
public class ARFeatheredPlaneMeshVisualizer : MonoBehaviour
{
    [Tooltip("The width of the texture feathering (in world units).")]
    [SerializeField]
    float m_FeatheringWidth = 0.2f;

    /// <summary>
    /// The width of the texture feathering (in world units).
    /// </summary>
    public float featheringWidth
    { 
        get { return m_FeatheringWidth; }
        set { m_FeatheringWidth = value; } 
    }

    void Awake()
    {
        m_PlaneMeshVisualizer = GetComponent<ARPlaneMeshVisualizer>();
        m_FeatheredPlaneMaterial = GetComponent<MeshRenderer>().material;
        m_Plane = GetComponent<ARPlane>();
    }

    void OnEnable()
    {
        m_Plane.boundaryChanged += ARPlane_boundaryUpdated;
    }

    void OnDisable()
    {
        m_Plane.boundaryChanged -= ARPlane_boundaryUpdated;
    }

    void ARPlane_boundaryUpdated(ARPlaneBoundaryChangedEventArgs eventArgs)
    {
        GenerateBoundaryUVs(m_PlaneMeshVisualizer.mesh);
    }

    /// <summary>
    /// Generate UV2s to mark the boundary vertices and feathering UV coords.
    /// </summary>
    /// <remarks>
    /// The <c>ARPlaneMeshVisualizer</c> has a <c>meshUpdated</c> event that can be used to modify the generated
    /// mesh. In this case we'll add UV2s to mark the boundary vertices.
    /// This technique avoids having to generate extra vertices for the boundary. It works best when the plane is 
    /// is fairly uniform.
    /// </remarks>
    /// <param name="mesh">The <c>Mesh</c> generated by <c>ARPlaneMeshVisualizer</c></param>
    void GenerateBoundaryUVs(Mesh mesh)
    {
        int vertexCount = mesh.vertexCount;

        // Reuse the list of UVs
        s_FeatheringUVs.Clear();
        if (s_FeatheringUVs.Capacity < vertexCount) { s_FeatheringUVs.Capacity = vertexCount; }

        mesh.GetVertices(s_Vertices);

        Vector3 centerInPlaneSpace = s_Vertices[s_Vertices.Count - 1];
        Vector3 uv = new Vector3(0, 0, 0);
        float shortestUVMapping = float.MaxValue;

        // Assume the last vertex is the center vertex.
        for (int i = 0; i < vertexCount - 1; i++)
        {
            float vertexDist = Vector3.Distance(s_Vertices[i], centerInPlaneSpace);

            // Remap the UV so that a UV of "1" marks the feathering boudary.
            // The ratio of featherBoundaryDistance/edgeDistance is the same as featherUV/edgeUV.
            // Rearrange to get the edge UV.
            float uvMapping = vertexDist / Mathf.Max(vertexDist - featheringWidth, 0.001f);
            uv.x = uvMapping;

            // All the UV mappings will be different. In the shader we need to know the UV value we need to fade out by.
            // Choose the shortest UV to guarentee we fade out before the border.
            // This means the feathering widths will be slightly different, we again rely on a fairly uniform plane.
            if (shortestUVMapping > uvMapping) { shortestUVMapping = uvMapping; }

            s_FeatheringUVs.Add(uv);
        }

        m_FeatheredPlaneMaterial.SetFloat("_ShortestUVMapping", shortestUVMapping);

        // Add the center vertex UV
        uv.Set(0, 0, 0);
        s_FeatheringUVs.Add(uv);

        mesh.SetUVs(1, s_FeatheringUVs);
        mesh.UploadMeshData(false);
    }

    static List<Vector3> s_FeatheringUVs = new List<Vector3>();

    static List<Vector3> s_Vertices = new List<Vector3>();

    ARPlaneMeshVisualizer m_PlaneMeshVisualizer;

    ARPlane m_Plane;

    Material m_FeatheredPlaneMaterial;
}

  將ARFeatheredPlaneMeshVisualizer掛載到AR Default Plane預製體上，完成之後應該如下圖所示：

  編譯運行，效果如下所示，視覺效果要好很多了。

  注：本文Shader與ARFeatheredPlaneMeshVisualizer.cs腳本均取自參考代碼工程，爲方便讀者，我已將圖片、Shader、腳本分離出來，讀者也可以在 這裏 下載，直接就可以在工程裏使用。

參考代碼

arfoundation-samples arfoundation-samples