MagicaCloth2

Proxy mesh 是 MeshCloth 中一个重要的概念。MeshCloth 不会使用 Render mesh 来进行模拟，原因主要有下面 3 点：

• 如果直接使用 render mesh 进行模拟，顶点数量可能会很多，导致模拟运算的消耗非常巨大
  
• 三角连接结构非常不适用于物理模拟
  
• 为了表现，很多情况下会将一个 mesh 分为多个 mesh（如，为了让裙子内外使用不同材质，将裙子分为两个 mesh），直接使用 Render mesh，就需要分开模拟裙子的内部和外部了。
  

基于 render mesh 进行顶点缩减可以得到对应的 proxy mesh，proxy mesh 是一个 virtual mesh，其只在运行时存在于内存中。MeshCloth 会在 proxy mesh 上执行所有的模拟运算，然后再将结果反应用于原始的 render mesh。

• proxy mesh 越简单，性能会越好
  
• 应该简化到 render mesh 没有细小突起的程度
  
• 简化的太多，会导致碰撞检测变弱。render mesh 和 proxy mesh 差异过大会导致显示变得不稳定
  

通过 collision mode 你可以选择 proxy mesh 和碰撞体如何进行碰撞检测。

摩擦力控制着当 collider 和顶点接触后，滑动的难易程度。

对于 BoneCloth，baselines 是从 Transforms 树形层次结构构建的，所以其和 Transform 的层级结构一样。

Tips: Runtime 下，baseline 是不变的 。

层级结构不同，baseline 也会不同，导致模拟的结果也不同，如下图所示：

在层级结构中，放置位置重叠的节点会导致模拟错误，如下面视频所示：
#+begin_export html
<video class="wp-video-shortcode" width="1024" height="768" preload="metadata" controls="controls">
<source type="video/mp4" src="./MagicaCloth2/baseline-error.mp4"/>
</video>

MeshCloth 相对复杂一些，其 baselines 是依据表面的连接自动计算得到的。MeshCloth 的 baseline 会根据表面的连接状态和固定顶点的分布而发生变化。

Tips: Runtime 下，baseline 是不变的 。

下图为，MagicaCloth2 Demo 中，UnityChanKAGURA 的裙子对应的 baseline。

baseline 上每个顶点都有一个深度值，MagicaCloth 有很多参数的值都依赖于该深度值。下图所示 Limit Angle 参数的相关说明：

Gravity 控制重力大小
Gravity Direction 控制重力方向
Gravity Falloff 会根据 cloth 的朝向来减少重力的效果。例如，如果 Falloff 为 1.0，若衣服的朝向和起始朝向相同，则不会对衣服应用重力。
Damping 用于控制空气阻力。减低空气阻力(Damping)，顶点将不容易复位。相反，若增加空气阻力(Damping)，则顶点移动会减慢。

运动模拟会将 baseline 的每条边旋转回原来的位置。Angle Restoration(角度复原)参数是控制运动的最重要参数，毫不夸张地说，该参数决定了运动的主要表现。

Stiffness (刚度)是在一个 pass 中校正的旋转角度量（Tips：一次物理模拟有时候由多次 pass 组成）。增加 Stiffness（刚度）可加快恢复速度。
Velocity Attenuation 是恢复期间应用于顶点的速度衰减量。如果你降低它，加速度会更强，它会像弹簧一样反弹。

调整这两个属性需要一定的熟悉度和经验。一个好的开始是加载一个预制参数并尝试模仿它。

限制 baseline 的每条边从其原始 pose 弯曲的角度

将裙子的角度限制在一定范围内以保持其形状也是一个好主意。

通过下列三种方式来维持 proxy mesh 的形状:

该参数决定了衣服运动如何影响顶点。这是决定运动的第二重要的参数(第一重要的参数为 Angle Restoration)。

一件衣服总会有一个中心点。该中心点通常由所有不动点的分布决定，在 SceneView 中，中心点会被显示为一个粉色的球，如下图：

当这个中心移动时，它的平移力和旋转力会传递到顶点。inertia 参数就是用来限制传递给顶点的力的。

例如，如果晃动对于角色的移动来说过大，则可以添加 restrictions（限制）以抑制整体晃动。

有四种类型的 restrictions（限制），每种都有自己的特点：

参考 Backstop 部分介绍。

参考 Collision 部分介绍。

该参数同时控制 Self Collision() 和 Mutual Collision。该功能目前处于实验阶段。
self collision 和 Mutual Collision 需要大量的碰撞计算，其运算处理消耗非常高。建议只在 PC 上使用。

尽管参数数量很多，但是真正决定运动效果的参数只有下面这些，可以优先调节这些重要的参数

在运行时进行参数调节可以获得直观反馈

可以先选择一个预制参数，看是否接近我们想要的运动效果。然后，再在次基础上进行调节。

将精心调整的参数保存为预制参数。在运行时，也可以保存预制参数。

运行时调整的参数无法被保存，可以通过组件 Copy 功能，来解决该问题。

在这里，动画的姿势非常重要。这里的姿势是指未进行物理模拟时，Transform 或 Mesh 在动画作用下的形变。例如，下面角色的裙子被蒙皮到了左腿和右腿上。所以，裙子会跟随腿做动画。这是理想的情况，这种情况下你可以设置一个 backstop，来防止穿模。

但是，下面的角色没有将裙子蒙皮到腿部。当角色播放跑步动画时，腿会穿过裙子，这种情况下，将无法使用 backstop。

backstop 是在动画 pose 基础上施加限制。为了让 backstop 工作，Transform 或 Mesh 跟随动画非常重要。

解决上面问题的最好方式是，为裙子分配腿部骨骼权重，从而让裙子跟随腿运动。
或者，为裙子添加骨骼，并且调整每个动画(如，跑，跳，攻击等等)，使得裙子跟随腿部运动。

在美术人员创作的动画姿势上叠加布料模拟是解决穿模问题的最健壮的方法，推荐使用这种方案。

若由于某种原因无法进行美术人员修正，则可以使用自定义蒙皮功能作为替代方案。

在 MagicaCloth 的 Gizmos 设置面板，可以开启动画姿势(Animation Posture)显示，如下：

下面是 SceneView 中所展示的动画姿势：

如果由于某种原因无法进行美术人员修正，则可以使用自定义蒙皮功能作为替代方案。

该功能会将 proxy mesh 蒙皮到指定的骨骼上。如果动画姿势已经正确设置，则不需要使用该功能。

开启 Custom Skinning，并且添加蒙皮骨骼，对于 KAGURA 裙子，可以安装如下设置骨骼：

添加的骨骼使用 gizmo 显示为黄色的线，如下图所示：

custom skinning 会让 proxy mesh 跟随腿运动。如下图所示，从而让 backstop 可以工作。

Tips:
custom skinning 也支持 BoneCloth。但是，请注意 custom skinning 只是一个替代方案，其效果并不是很精确。

可以使用 vertex paint 来精确控制哪些顶点开启 backstop，哪些顶点关闭 backstop。

以下图所示的裙子为未开启创建 Mesh 的情况（即 Connection Mode 为 Line 时）：

自动连接附近的 Transforms。依赖于 Transform 的位置，该模式下生成的 mesh 形状可能并不自然。

按照 Root Bones 的顺序横向连接 Transforms。所以，Root Bones 的注册顺序非常重要，最后一个 Root Bone 会和第一个 Root Bone 相连形成一个循环。

按照 Root Bones 的顺序横向连接 Transforms。所以，Root Bones 的注册顺序非常重要，最后一个 Root Bone 不会和第一个 Root Bone 相连。

root rotation 用于调节固定顶点（Fixed Transform）的旋转。
0 表示保持原始姿势不进行旋转。
1 表示向子节点方向旋转，多个子节点时(Tips: 只考虑直接相连的子节点)，旋转方向会进行平均。
0.5 表示中间。

rotational interpolation 用于调节可动顶点（Movement Transform）的旋转。
0 表示向父节点方向旋转
1 表示向子节点方向旋转，多个子节点时(Tips: 只考虑直接相连的子节点)，旋转方向会进行平均。
0.5 表示中间。

末端节点没有子节点，所以末端节点永远向父节点旋转。

在 Editor 下，可以使用 vertex paint 特性来手动为每个顶点设置属性。但是，在运行时，不可以使用该方法。因此，在运行时，MeshCloth 会需要使用预先准备的 paint map 来设置顶点属性。

MagicaCloth2 在运行时，构建 cloth data。会在后台线程执行构建，所以对主线程影响不大。但是，构建操作会花费几帧时间，所以从开始构建到真正开始模拟有几帧延迟。

MagicaCloth 支持三种更新模式，不同模式只是影响 deltaTime 的计算

1. Normal deltaTime = Time.deltaTime，更新频率 = MonoBehavior.Update 更新频率 * Time.timeScale
   
2. UnityPhysics deltaTime = Time.fixedDeltaTime，更新频率 = MonoBehavior.FixedUpdate 更新频率 * Time.timeScale
   
3. Unscaled deltaTime = Time.unscaledDeltaTime，和 MonoBehavior 的 Update 方法更新频率相同
   

该网格简化算法修改了 VirtualMesh 的如下数据：

• vmesh.boneWeights
  
• vmesh.attributes
  
• vmesh.localNormals
  

- 首先，确定算法输入参数
  - maxSideLength = boundingBox.Value.MaxSideLength
  - arg: sameDistance = maxSideLength * saturate(Define.System.ReductionSameDistance=0.001)
- 其次，利用 proxy mesh 的顶点建立 GridMap 结构。（可指定 Box 区域和 Sphere 区域来返回区域内的顶点）
  - src: InitGridJob()
  - gride size 按照如下方法计算
    - GridSize = mergeLength * 2.0f;
    - mergeLength = sameDistance
    - maxSideLength = boundingBox.Value.MaxSideLength
- 然后，遍历 proxy mesh 的每个顶点，对于单个顶点，遍历它所属的所有 grid，遍历该 grid 内的所有顶点，判断顶点和当前处理顶点的距离。
  - src: SearchJoinJob()
  - 若距离小于 mergeLength，则将顶点对<curV, tmpV>记录到 joinPairSet 中
- 然后，遍历joinPairSet。用 curV 代替 tmpV，从而实现顶点的合并。并更新 vertexToVertexMap、boneWeights、attributes 存储的数据
  - src: JoinJob()
  - joinIndices[tmpV]=curV 表示tmpV 融合到curV。
  - vertexToVertexMap 记录了顶点到顶点列表的映射，顶点列表中包含与该顶点相连的所有顶点。
  	- Tips: 双向连接，若1号顶点连接了2好顶点，则2号顶点也会连接1好顶点
  - 被消除顶点的 weight 会叠加到合并的顶点上(只会叠加骨骼相同的权重)。还会按照新的权重重新降序排列
  - 消除后的顶点对应的 attributes 被标记为 VertexAttribute.Invalid
- 然后，更新顶点融合信息和 Link 信息。被删除的顶点其 joinIndex 指向最终生存下来的顶点。生存下来的顶点和生存下来的顶点相连
  - src: UpdateJoinAndLink() -> UpdateJoinIndexJob(), UpdateLinkIndexJob()
  - joinIndices 记录了顶点的融合信息
  - vertexToVertexMap 记录的就是顶点之间的 Link 信息
- 最后，执行法线单位化，并调整骨骼权重，使得权重和为 1
  - src: UpdateReductionResultJob() -> FinalMergeVertexJob()

该方法是一个迭代方法，会多次迭代执行简化操作。SimpleDistanceReduction 派生自 StepReductionBase。
该网格简化算法修改了 VirtualMesh 的如下数据：

• vmesh.boneWeights
  
• vmesh.attributes
  
• vmesh.localPositions
  
• vmesh.localNormals
  

- 首先，确定算法输入参数
  - maxSideLength = boundingBox.Value.MaxSideLength
  - sameDistance = maxSideLength * saturate(Define.System.ReductionSameDistance)
  - simpleDistance = maxSideLength * saturate(settings.simpleDistance)
  - shapeDistance = maxSideLength * saturate(settings.shapeDistance)
  - arg: startMergeLength = min(sameDistance*2.0, simpleDistance)
  - arg: endMergeLength = simpleDistance
  - arg: maxStep = Define.System.ReductionMaxStep = 100
  - arg: dontMakeLine = Define.System.ReductionDontMakeLine = True
  - arg: joinPositionAdjustment = Define.System.ReductionJoinPositionAdjustment = 1
- 其次，循环执行迭代处理。这里只描述单次迭代涉及的操作。
  - 首先，利用 proxy mesh 的顶点建立 GridMap 结构
    - src: InitGridJob()
    - gride size 按照如下方法计算
      - GridSize = nowMergeLength * 2.0f;
      - init: nowMergeLength = startMergeLength
      - next: nowMergeLength = min(nowMergeLength * noewStepScale, endMergeLength)
  - 其次，遍历 proxy mesh 的每个顶点，对于单个顶点，遍历它所属的所有 grid，遍历该 grid 内的所有顶点，判断顶点和当前处理顶点的距离。
    - src: SearchJoinEdgeJob()
    - 若距离小于等于 nowMergeLength, 计算 curV 顶点所连顶点的个数 linkCount, 计算 tmpV 顶点所连顶点的个数 tlinkCount，使用 linkCount 和 tlinkCount 计算 cost。
      - cost = dist * (1.0f + (linkCount + tlinkCount) / 2.0f);
    - 将顶点对<curV, tmpV> 和 cost 记录到 joinEdgeList
  - 然后，对 joinEdgeList 按照 cost 升序进行排序
    - src: SortJoinEdge()
  - 然后，遍历 joinEdgeList, 将顶点对添加到 removePairList
    - src: DeterminJoinEdgeJob()
  - 然后，遍历 removePairList, 将 curV 合并到 tmpV，并更新 vertexToVertexMap、boneWeights、attributes 存储的数据
    - src: JoinPairJob()
    - 根据 curV 和 tmpV 的位置和法线计算合并后顶点的位置、法线
      - 根据每个顶点的连接数计算合并顶点位置使用的插值系数（连接数越多，移动越少）
	  - 被消除顶点的 weight 会叠加到合并的顶点上(只会叠加骨骼相同的权重)
  - 然后，更新顶点信息和 Link 信息。被删除的顶点其 joinIndex 指向最终生存下来的顶点。生存下来的顶点和生存下来的顶点相连
    - src: UpdateJoinAndLink() -> UpdateJoinIndexJob(), UpdateLinkIndexJob()
- 最后，执行法线单位化，并调整骨骼权重，使得权重和为 1
  - src: UpdateReductionResultJob() -> FinalMergeVertexJob()

该方法是一个迭代方法，会多次迭代执行简化操作。SimpleDistanceReduction 派生自 StepReductionBase。其处理逻辑和 SimpleDistanceReduction 整体上都一样，只是自定义了 SearchJoinEdgeJob 的实现。

该网格简化算法修改了 VirtualMesh 的如下数据：

• vmesh.boneWeights
  
• vmesh.attributes
  
• vmesh.localPositions
  
• vmesh.localNormals
  

- 首先，确定算法输入参数
  - maxSideLength = boundingBox.Value.MaxSideLength
  - shapeDistance = maxSideLength * saturate(settings.shapeDistance)
  - arg: startMergeLength = min(max(sameDistance*2.0, simpleDistance), shapeDistance)
  - arg: endMergeLength = simpleDistance
  - arg: maxStep = Define.System.ReductionMaxStep = 100
  - arg: dontMakeLine = Define.System.ReductionDontMakeLine = True
  - arg: joinPositionAdjustment = Define.System.ReductionJoinPositionAdjustment = 1
- 其次，循环执行迭代处理。这里只详细描述 SearchJoinEdgeJob。
  - 首先，遍历 proxy mesh 的每个顶点，对于单个顶点，遍历它连接的所有顶点，判断顶点和当前处理顶点的距离。
    - src: ShapeDistanceReduction::SearchJoinEdgeJob()
    - 判断是否可以将 curV 和 tmpV 合并
      - 将 curV 和 tmpV 所连接的顶点放入 joinVlink 列表中
      - 若 joinVlink 为空，说明 curV 和 tmpV 是孤立于 mesh 的一条线，不能合并
      - 从 joinVlink 取出 0 号元素放入 stack 中，循环处理 stack 中元素，直到 stack 为空
        - 执行 stack pop, 若 joinVlink 不包含出栈元素，则继续下一次循环
        - joinVlink 删除出栈元素
        - 遍历出栈元素连接的所有顶点，joinVlink 包含该顶点，则将顶点入栈
      - 若 joinVlink 长度大于 0，则不能合并
    - 若距离小于等于 nowMergeLength, 计算 curV 顶点所连顶点的个数 linkCount, 计算 tmpV 顶点所连顶点的个数 tlinkCount，使用 linkCount 和 tlinkCount 计算 cost。记录 minCost（最小的 cost）及其对应的顶点
      - cost = dist * (1.0f + (linkCount + tlinkCount) / 2.0f)
    - 将顶点对<curV, tmpMinCostV> 和 minCost 记录到 joinEdgeList
  - 然后，对 joinEdgeList 按照 cost 升序进行排序
    - src: SortJoinEdge()
  - 然后，遍历 joinEdgeList, 将顶点对添加到 removePairList
    - src: DeterminJoinEdgeJob()
  - 然后，遍历 removePairList, 将 curV 合并到 tmpV，并更新 vertexToVertexMap、boneWeights、attributes 存储的数据
    - src: JoinPairJob()
  - 然后，更新顶点信息和 Link 信息。被删除的顶点其 joinIndex 指向最终生存下来的顶点。生存下来的顶点和生存下来的顶点相连
    - src: UpdateJoinAndLink() -> UpdateJoinIndexJob(), UpdateLinkIndexJob()
- 最后，执行法线单位化，并调整骨骼权重，使得权重和为 1
  - src: UpdateReductionResultJob() -> FinalMergeVertexJob()

对简化后的 mesh 数据进行重新的组织

• 1. 创建一些数据结构用于对简化后 Mesh 数据进行从新组织
  
• 2. 创建重映射数据
  
  • a. 创建原始顶点到存活顶点的重映射（remap）
    
    • vertexRemapIndices 记录了该重映射，数组索引为原始顶点索引，数组值为存活顶点索引
      
    • 存活的顶点按照从 0 开始编号，逐一映射
      
    • 删除的顶点先通过 joinIndices（融合信息）找到，其对应的存活节点，再找到该存活节点对应的新索引，然后删除节点映射为该新索引
      
  • b. 创建蒙皮骨骼重映射数据
    
    • 收集存活顶点使用的旧骨骼索引
      
    • 创建新的蒙皮骨骼列表和 bindpose 列表
      
• 3. 组织新的基础顶点数据
  
  • a. 创建新的 attributes localPositions localNormals localTangents
    
  • b. 计算新的 uv（请注意，这些 uv 用于切线计算，而不是纹理！）
    
  • c. 创建新的 boneWeights
    
  • d. 为新顶点创建连接的顶点列表
    
• 4. 组织新的边、三角形数据
  
  • a. 从新的顶点连接信息创建边集
    
  • b. 从边集创建线列表和三角形集
    
  • c. 从三角形集创建三角形列表
    

将组织后的 mesh 数据存储回 VirtualMesh

// 索引数据
referenceIndices.Dispose();
referenceIndices = new ExSimpleNativeArray<int>(vcnt);
JobUtility.SerialNumberRun(referenceIndices.GetNativeArray(), vcnt);

// attribute
attributes.Dispose();
attributes = workData.newAttributes;
workData.newAttributes = null;

// positin
localPositions.Dispose();
localPositions = workData.newLocalPositions;
workData.newLocalPositions = null;

// normal
localNormals.Dispose();
localNormals = workData.newLocalNormals;
workData.newLocalNormals = null;

// tangent
localTangents.Dispose();
localTangents = workData.newLocalTangents;
workData.newLocalTangents = null;

// uv
uv.Dispose();
uv = workData.newUv;
workData.newUv = null;

// bone weight
boneWeights.Dispose();
boneWeights = workData.newBoneWeights;
workData.newBoneWeights = null;

// line
lines.Dispose();
lines = new ExSimpleNativeArray<int2>(workData.newLineList);

// triangle
triangles.Dispose();
triangles = new ExSimpleNativeArray<int3>(workData.newTriangleList);

// transform
transformData.OrganizeReductionTransform(this, workData);

// skin bone index
skinBoneTransformIndices.Dispose();
skinBoneTransformIndices = new ExSimpleNativeArray<int>(workData.newSkinBoneTransformIndices);

// skin bone bind pose
skinBoneBindPoses.Dispose();
skinBoneBindPoses = new ExSimpleNativeArray<float4x4>(workData.newSkinBoneBindPoseList);

// 顶点重映射数据
joinIndices = new NativeArray<int>(workData.vertexRemapIndices, Allocator.Persistent);

重新计算顶点平均距离和最大距离

该步骤修改了 VirtualMesh (rendering mesh) 的如下数据：

• vmesh.attributes
  

- 遍历 rendering mesh 的每个顶点
  - 获取 rendering 顶点对应的 proxy 顶点索引
  - 根据 proxy 顶点 attributes 更新 rendering 顶点 attributes
    - Invalid Move Fixed
  - 为每个 rendering 顶点创建一个 MappingWorkData
  	- MappingWorkData.position 		    记录rendering mesh顶点的位置（ProxyMesh空间下）
      - MappingWorkData.vertexIndex 	    记录 rendering mesh 顶点的索引
      - MappingWorkData.proxyVertexIndex  记录 proxy mesh 顶点索引
      - proxyVertexDistance               记录rendering mesh 顶点和proxy mesh顶点的距离

该步骤修改了 VirtualMesh (rendering mesh) 的如下数据：

• vmesh.boneWeights
  
• 首先，确定输入参数
  
  • arg:weightLength = avgDist * 1.5f // weightLength 为 proxy mesh 平均顶点距离的 1.5 倍
    
• 遍历 rendering mesh 的每个顶点，利用栈来循环处理 rendering mesh 顶点对应的 proxy mesh 顶点
  
  • 先将 rVertex 对应的 pVertex 放入 stack 中
    
  • 计算 rVertex 和 pVertex 之间的距离 dist
    
    • 若距离大于 weightLength 则开始下一次循环
      
    • 根据 dist 计算 pVertex 对 rVertex 的权重 w=Pow(Clamp01((1.0f - dist / weightLength) + 0.001f), 3.0)
      
    • 将 w 记录到 weights 中
      
  • 根据 proxyVertexToVertexIndexArray 数据得到 pVertex 相连的其他 pVertices，遍历相连的其他 pVertex
    
    • 计算 rVertex 和 curPVertex 之间的距离 dist
      
    • 若距离大于 weightLength 则开始处理下一个 pVertex
      
    • 将 curPVertex 放入 stack 中
      
  • 若 weights 中没有记录权重，则为默认连接的 pVertex 分配 100% 的权重。否则，执行 weights 归一化