如何在3d中挤出一条路径？

Question

我正在尝试在 3d 中挤出一条路径。还没有什么奇特的，只是遵循一些点并使用正多边形作为“管道”。我现在使用Processing 来快速构建原型，但稍后会将代码转换为OpenGL。

我的问题是以直角旋转“关节”。我想我大概知道如何获得角度，但不确定。

我从 Simon Greenwold 的示例开始（处理 > 文件 > 示例 > 3D > 形式 > 顶点）。这是迄今为止我的尝试：

更新 >重构/简化代码

Here is the main sketch code:
int pointsNum = 10;
Extrusion star;

int zoom = 0;

void setup() {
  size(500, 500, P3D);

  PVector[] points = new PVector[pointsNum+1];
  for(int i = 0 ; i <= pointsNum ; i++){
    float angle = TWO_PI/pointsNum * i;
    if(i % 2 == 0)
      points[i] = new PVector(cos(angle) * 100,sin(angle) * 100,0);
    else
      points[i] = new PVector(cos(angle) * 50,sin(angle) * 50,0);
  }

  star = new Extrusion(10,10,points,3);
}

void draw() {
  background(0);
  lights();
  translate(width / 2, height / 2,zoom);
  rotateY(map(mouseX, 0, width, 0, PI));
  rotateX(map(mouseY, 0, height, 0, PI));
  rotateZ(-HALF_PI);
  noStroke();
  fill(255, 255, 255);
  translate(0, -40, 0);
  star.draw();
}

void keyPressed(){
  if(key == 'a') zoom += 5;
  if(key == 's') zoom -= 5;
}

这里是 Extrusion 类：

importprocessing.core.PMatrix3D;

class Extrusion{

  float topRadius,bottomRadius,tall,sides;
  int pointsNum;
  PVector[] points;

  Extrusion(){}

  Extrusion(float topRadius, float bottomRadius, PVector[] points, int sides) {
    this.topRadius = topRadius;
    this.bottomRadius = bottomRadius;
    this.points = points;
    this.pointsNum = points.length;
    this.sides = sides;
  }

  void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){
          vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }
}

更新

这是我的草图的样子：

处理拉伸http://doc.gold .ac.uk/~ma802gp/extrude.gif

问题是关节的角度不正确，因此拉伸看起来不正确。 这不是一个很好的例子，因为这可以通过车床来实现。如果我能让一台车床处理任意一组点和一个轴，那就太好了。我正在使用挤压 因为我试图根据 Liviu Stoicoviciu 的艺术创造几何体。

以下是一些示例：

星星画 http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/star_painting.jpg

星星纸雕塑 http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/star_paper_sculpture.jpg

三角形 http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/triangles_pencil.jpg

抱歉，质量很差。

正如您在三角形图像中看到的那样，这可以通过挤压来实现。

更新

这是我在绘制方法中使用 drhirsch 的帮助的尝试：

void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){

          PVector s = new PVector(0,0,1);
          PVector cn = new PVector();
          points[i].normalize(cn);
          PVector r = s.cross(cn);
          float a = acos(s.dot(cn));
          PMatrix3D rot = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                        0,1,0,0,
                                        0,0,1,0,
                                        0,0,0,1);
          rot.rotate(a,r.x,r.y,r.z);
          PVector rotVec = new PVector();
          rot.mult(points[i],rotVec);
          rotVec.add(new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius));

          vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          vertex(rotVec.x,rotVec.y,rotVec.y);

          //vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          //vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }

我重构了代码，所以现在以前称为 CShape 的类称为 Extrude，代码更少并且希望更简单，并且我使用 PVector 对象数组而不是 PVector 对象向量，这可能会令人困惑。

这是我的另一次尝试，得到了一些埃舍尔式的结果：

更新的绘图

void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        float angleBetweenNextAndPrevious = 0.0;
        if(i < pointsNum - 1) angleBetweenNextAndPrevious = PVector.angleBetween(points[i],points[i+1]);

        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){

          PVector s = new PVector(0,0,1);
          PVector s2 = new PVector(0,0,1);
          PVector cn = new PVector();
          PVector cn2 = new PVector();
          points[i-1].normalize(cn);
          points[i].normalize(cn);
          PVector r = s.cross(cn);
          PVector r2 = s.cross(cn2);
          PMatrix3D rot = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                        0,1,0,0,
                                        0,0,1,0,
                                        0,0,0,1);
          PMatrix3D rot2 = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                        0,1,0,0,
                                        0,0,1,0,
                                        0,0,0,1);

          rot.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r.x,r.y,r.z);
          rot2.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r2.x,r2.y,r2.z);

          PVector rotVec = new PVector();
          rot.mult(points[i-1],rotVec);
          rotVec.add(new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius));
          PVector rotVec2 = new PVector();
          rot2.mult(points[i],rotVec2);
          rotVec2.add(new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius));

          vertex(rotVec.x,rotVec.y,rotVec.z);
          vertex(rotVec2.x,rotVec2.y,rotVec2.z);
          //vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          //vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }
}

fix_test http: //doc.gold.ac.uk/~ma802gp/extrude2.gif

由 drhirsch 编辑 这应该有效：

void draw() {
    if(pointsNum >= 2){  
      float angle = 0;
      float angleIncrement = TWO_PI / sides;

      //begin draw segments between caps
      angle = 0;
      for(int i = 1; i < pointsNum ; ++i){
        beginShape(QUAD_STRIP);
        float angleBetweenNextAndPrevious = 0.0;
        if(i < pointsNum - 1) angleBetweenNextAndPrevious = PVector.angleBetween(points[i],points[i+1]);
        PVector s = new PVector(0,0,1);
        PVector s2 = new PVector(0,0,1);
        PVector cn = new PVector();
        PVector cn2 = new PVector();
        points[i-1].normalize(cn);
        points[i].normalize(cn2);
        PVector r = s.cross(cn);
        PVector r2 = s.cross(cn2);
        PMatrix3D rot = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                      0,1,0,0,
                                      0,0,1,0,
                                      0,0,0,1);
        PMatrix3D rot2 = new PMatrix3D(1,0,0,0,
                                       0,1,0,0,
                                       0,0,1,0,
                                       0,0,0,1);

        rot.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r.x,r.y,r.z);
        rot2.rotate(angleBetweenNextAndPrevious,r2.x,r2.y,r2.z);
        PVector rotVec = new PVector();
        PVector rotVec2 = new PVector();

        for(int j = 0; j < sides + 1; j++){
          // I am still not sure about this. Should the shape be in the xy plane 
          // if the extrusion is mainly along the z axis? If the shape is now in
          // the xz plane, you need to use (0,1,0) as normal vector of the shape
          // (this would be s and s2 above, don't use the short names I have
          // used, sorry)
          PVector shape = new PVector(cos(angle) * topRadius,0,sin(angle) * topRadius);

          rot.mult(shape, rotVec);
          rot2.mult(shape,rotVec2);

          rotVec.add(points[i-1]);
          rotVec2.add(points[i]);

          vertex(rotVec.x,rotVec.y,rotVec.z);
          vertex(rotVec2.x,rotVec2.y,rotVec2.z);
          //vertex(points[i-1].x + cos(angle) * topRadius, points[i-1].y, points[i-1].z + sin(angle) * topRadius);
          //vertex(points[i].x + cos(angle) * bottomRadius, points[i].y, points[i].z + sin(angle) * bottomRadius);

          angle += angleIncrement;
          }
        endShape();
      }
      //begin draw segments between caps
    }else println("Not enough points: " + pointsNum);
  }
}

更新

这是我的问题的简单说明：

描述http://doc.gold.ac。 uk/~ma802gp/description.gif

蓝色路径相当于我代码中的points[] PVector 数组，如果pointNum = 6。 红色路径是我正在努力解决的问题，绿色路径是我想要实现的目标。

更新

我认为顶点顺序存在一些小问题。 以下是一些使用 6 点且无（if/else % 2）星形条件的打印屏幕。

点1 http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/points1.gif

替代文本http://doc.gold.ac.uk/~ma802gp/points2.gif

Answer 1

假设您的形状具有法线向量 S。在您的示例中，S 将为 (0,0,1)，因为您的形状在 xy 方向上是平坦的。您可以使用当前路径向量 V（归一化）和 S 之间的叉积来获得旋转轴向量 R。您需要围绕 R 旋转您的形状。旋转角度可以通过 S 和 V 之间的点积获得。所以：

R = S x V
a = arc cos(S . V)

现在你可以用 R 和 a 设置一个 旋转矩阵 并通过它旋转形状。

您可以使用 glRotate(...) 旋转堆栈上的当前矩阵，但这不能在 glBegin() 和 glEnd() 之间完成。所以你必须自己或使用库来进行矩阵乘法。

编辑：简短查看您正在使用的库后，您应该能够设置旋转矩阵，

PVector s = new PVector(0,0,1);  // is already normalized (meaning is has length 1)
PVector cn;
current.normalize(cn);
PVector r = s.cross(cn);
float a = acos(s.dot(cn));
PMatrix rot = new PMatrix(1, 0, 0, 0,
                          0, 1, 0, 0,
                          0, 0, 1, 0,
                          0, 0, 0, 1);
rot.rotate(a, r.x, r.y, r.z);

现在将形状的每个元素与 rot 相乘，并将其翻译为当前路径向量：

PVector rotVec;
rot.mult((PVector)shape[i], rotVec);
rotVec.add(current);