一个简单的德劳内三角剖分实现

news2025/6/8 12:02:31

德劳内(Delaunay)三角剖分是一种经典的将点集进行三角网格化预处理的手段,在NavMesh、随机地牢生成等场景下都有应用。
具体内容百度一大堆,就不介绍了。
比较知名的算法是Bowyer-Watson算法,也就是逐点插入法。
下雨闲着没事简单实现了一下,效果如下:
在这里插入图片描述
思路很简单:

  1. 收集点集,以及点集的范围
  2. 初始构建一个超级三角形,将所有点包含在内,并将超级三角形加入三角形列表
  3. 逐个点进行插入
    • 找到所有外接圆包含该插入点的三角形,标记为BadTriangle
    • 从三角形列表中移除所有BadTriangle,但需要记录这些BadTriangle的边,因为之后可能需要用这些边构建新的三角形
    • 将收集到的边进行去重,这里的去重指的是如果两条边的端点是同样的点,就将这两条边都删除,而不是只删除一条,实际是为了删除多个三角形之间的共享边
    • 这样所有BadTriangle剩余的边就围成了一个多边形空洞,也就是所谓的空洞化
    • 用这个多边形空洞的每条边跟插入点构建新的三角形,并加入三角形列表中,用于后续插入点的检查
  4. 超级三角形只用于辅助构建,其顶点并不是真实存在的点,因此在所有点插入完成后,需要将包含SuperTriangle顶点的三角形从列表中删除
  5. 构建完成

当然这只是趁午饭时间随手写的一个演示效果,没有考虑性能的问题.

代码如下:

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

namespace MapRandom.Delaunay
{
    public static class VectorExtension
    {
        public static bool Same(this Vector3 _this, Vector3 _other)
        {
            return Mathf.Approximately(_this.x, _other.x) &&
                   Mathf.Approximately(_this.y, _other.y) &&
                   Mathf.Approximately(_this.z, _other.z);
        }
    }

    public class TestDelaunay : MonoBehaviour
    {
        
        private class Triangle
        {
            public Vector3 PointA,PointB,PointC;
            public List<Edge> Edges;
            public Vector3 Center;
            public float Radius;
            public float RadiusSqr;

            public Triangle(Vector3 _pointA, Vector3 _pointB, Vector3 _pointC)
            {
                PointA = _pointA;
                PointB = _pointB;
                PointC = _pointC;
                CalcCircumcircle();
                CalcEdges();
            }

            /// <summary>
            /// 计算外接圆
            /// </summary>
            private void CalcCircumcircle()
            {
                float _ab = PointA.sqrMagnitude;
                float _cd = PointB.sqrMagnitude;
                float _ef = PointC.sqrMagnitude;

                float _circumX = (_ab * (PointC.y - PointB.y) + _cd * (PointA.y - PointC.y) + _ef * (PointB.y - PointA.y)) / (PointA.x * (PointC.y - PointB.y) + PointB.x * (PointA.y - PointC.y) + PointC.x * (PointB.y - PointA.y));
                float _circumY = (_ab * (PointC.x - PointB.x) + _cd * (PointA.x - PointC.x) + _ef * (PointB.x - PointA.x)) / (PointA.y * (PointC.x - PointB.x) + PointB.y * (PointA.x - PointC.x) + PointC.y * (PointB.x - PointA.x));

                Center = new Vector3(_circumX / 2, _circumY / 2);
                Radius = Vector3.Distance(Center, PointA);
                RadiusSqr = Radius * Radius;
            }

            /// <summary>
            /// 生成边信息
            /// </summary>
            private void CalcEdges()
            {
                Edges = new List<Edge>(3);
                Edges.Add(new Edge(PointA, PointB));
                Edges.Add(new Edge(PointB, PointC));
                Edges.Add(new Edge(PointC, PointA));
            }

            /// <summary>
            /// 检查点在外接圆内
            /// </summary>
            /// <param name="_point"></param>
            /// <returns></returns>
            public bool CheckCircumcircleContains(Vector3 _point)
            {
                return Vector3.SqrMagnitude(_point - Center) < RadiusSqr;
            }

            /// <summary>
            /// 检查顶点包含某一点
            /// </summary>
            /// <param name="_point"></param>
            /// <returns></returns>
            public bool CheckHasVertex(Vector3 _point)
            {
                return PointA.Same(_point) ||
                       PointB.Same(_point) ||
                       PointC.Same(_point);
            }

        }
        
        private class Edge
        {
            public Vector3 PointA,PointB;
            public bool IsBad;

            public Edge(Vector3 _pointA, Vector3 _pointB)
            {
                PointA = _pointA;
                PointB = _pointB;
                IsBad = false;
            }
            
            /// <summary>
            /// 检查顶点包含某一点
            /// </summary>
            /// <param name="_point"></param>
            /// <returns></returns>
            public bool CheckHasVertex(Vector3 _point)
            {
                return PointA.Same(_point) ||
                       PointB.Same(_point);
            }

            /// <summary>
            /// 是否为重复边
            /// </summary>
            /// <param name="_other"></param>
            /// <returns></returns>
            public bool Same(Edge _other)
            {
                return PointA.Same(_other.PointA) && PointB.Same(_other.PointB) ||
                       PointA.Same(_other.PointB) && PointB.Same(_other.PointA);
            }
        }

        public Transform TestRoot;
        private List<Vector3> mPointList = new();
        private List<Triangle> mTriangleList = new();
        private List<Edge> mTmpEdgeList = new();

        private void Update()
        {
            if (null == TestRoot) return;
            Triangulate();
        }

        private void CollectPoints()
        {
            mPointList.Clear();
            for (int i = 0; i < TestRoot.childCount; i++)
            {
                Transform _child = TestRoot.GetChild(i);
                Vector3 _point = new Vector3(_child.position.x, _child.position.y, 0);
                mPointList.Add(_point);
            }
        }

        private void Triangulate()
        {
            mTriangleList.Clear();
            
            //收集点的范围
            CollectPoints();
            float _minX = float.MaxValue, _minY = float.MaxValue;
            float _maxX = float.MinValue, _maxY = float.MinValue;
            foreach (Vector3 _point in mPointList)
            {
                _minX = Mathf.Min(_minX, _point.x);
                _minY = Mathf.Min(_minY, _point.y);
                _maxX = Mathf.Max(_maxX, _point.x);
                _maxY = Mathf.Max(_maxY, _point.y);
            }
            
            //构建超级三角形
            float _dx = _maxX - _minX;
            float _dy = _maxY - _minY;
            float _maxDelta = Mathf.Max(_dx, _dy) * 2f;
            Triangle _superTriangle = new Triangle(
                new Vector3(_minX - 1, _minY - 1),
                new Vector3(_minX - 1, _maxY + _maxDelta),
                new Vector3(_maxX + _maxDelta, _minY - 1)
            );
            mTriangleList.Add(_superTriangle);

            //逐点插入
            foreach (Vector3 _point in mPointList)
            {
                //首先删除所有外接圆包含插入点的三角形
                //收集BadTriangle的边用于后续构建新三角形
                mTmpEdgeList.Clear();
                for (int i = mTriangleList.Count - 1; i >= 0; i--)
                {
                    Triangle _triangle = mTriangleList[i];
                    if (_triangle.CheckCircumcircleContains(_point))
                    {
                        mTmpEdgeList.AddRange(_triangle.Edges);
                        mTriangleList.RemoveAt(i);
                    }
                }

                //空洞化,边查重,删除所有共享边
                for (int i = 0; i < mTmpEdgeList.Count; i++)
                {
                    Edge _edge_1 = mTmpEdgeList[i];
                    if (_edge_1.IsBad) continue;
                    for (int j = i + 1; j < mTmpEdgeList.Count; j++)
                    {
                        Edge _edge_2 = mTmpEdgeList[j];
                        if (_edge_1.Same(_edge_2))
                        {
                            _edge_1.IsBad = true;
                            _edge_2.IsBad = true;
                        }
                    }
                }
                for (int i = mTmpEdgeList.Count - 1; i >= 0; i--)
                {
                    if (mTmpEdgeList[i].IsBad)
                    {
                        mTmpEdgeList.RemoveAt(i);
                    }   
                }

                //空洞边与插入点构建新三角形
                foreach (Edge _edge in mTmpEdgeList)
                {
                    Triangle _triangle = new Triangle(_edge.PointA, _point, _edge.PointB);
                    mTriangleList.Add(_triangle);
                }
            }

            //超级三角形只起辅助构建的作用,其顶点并不是真实存在的点
            //因此最后需要将所有超级三角形相关的三角形删除
            for (int i = mTriangleList.Count - 1; i >= 0 ; i--)
            {
                Triangle _triangle = mTriangleList[i];
                if (_triangle.CheckHasVertex(_superTriangle.PointA) ||
                    _triangle.CheckHasVertex(_superTriangle.PointB) ||
                    _triangle.CheckHasVertex(_superTriangle.PointC)
                    )
                {
                    mTriangleList.RemoveAt(i);
                }
            }
        }

        private void OnDrawGizmos()
        {
            Gizmos.color = Color.red;
            foreach (Triangle _triangle in mTriangleList)
            {
                foreach (Edge _edge in _triangle.Edges)
                {
                    Gizmos.DrawLine(_edge.PointA, _edge.PointB);
                }
            }
        }
    }
}

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