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开发三维CAD：实现框选和反选功能

news 2025/7/6 7:38:56

在三维场景交互中，框选和反选是不可或缺的基础功能，有助于提高用户工作效率和体验。那么怎么实现呢，本文介绍其中两种方式。

原文：开发三维CAD：实现框选和反选功能

20.框选选择

在三维软件交互中，框选是一种提高工作效率的交互功能，可以根据框选范围选中完全在其中或相交的组件，可以增强用户体验。

框选框的绘制有多种实现方式，本节介绍其中两种，

作者在《视频课程》中对相机原理和实现有详细的讲解，包括原理和代码逻辑，欢迎观看。

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两种绘制框选框方式

对数据进行预setup，然后在渲染循环中根据当前位置和状态不断的更新modelMatrix以适配当前框的位置和大小，然后绘制；
在每个渲染循环中，根据鼠标位置实时计算框的位置和尺寸，进行数据的setup和draw（绘制）；

这两种方式各有优缺点，第一种方式避免了频繁搭建数据和渲染桥梁的过程，但需要在每个渲染循环中进行更多的计算：计算当前的modelMatrix；第二种方式需要在每个渲染循环中进行数据和渲染桥梁的搭建，然后绘制，但不用进行过多的计算过程。

20.1.方式一

下图描述了方式一的工作流程，

预setup初始数据，初始数据为以原点为中心，在XOY平面的单位矩形，后续将（以不同的modelMatrix）不断的渲染该数据；
屏幕像素位置和深度对应三维空间中的位置，我们根据鼠标初始点击和当前位置，加之深度为0来通过渲染管线矩阵变换的逆过程得到在世界坐标系中的空间位置，构造空间矩形；然后构造初始矩形到空间矩形的变换矩阵，作为modelMatrix设置到顶点着色器中；
经过渲染管线的处理，空间矩形被绘制在屏幕上，与初始鼠标位置和当前鼠标位置映射的轴对齐矩形；

计算矩形框的modelMatrix的逻辑看起来有些许复杂，让我们一起探究下，

首先根据空间矩形框的尺寸构造缩放矩阵；
然后通过旋转将初始矩形旋转到和空间矩形平行，试想一下将(0，0，1)绕其与空间矩形法向normal叉乘得到的向量rotateDir旋转（(0, 0, 1)和normal的）夹角，使得其与normal同向；
然后绕空间矩形法向normal旋转，使得处理后的初始矩形轴与空间矩形轴对齐；
此时处理后的初始矩形中心仍为原点，偏移到空间矩形中心即可~

我们来看下代码~

Transform ViewerUtils::getRectSelectMatrix(constvector<Vector3f>& rectData)
{Vector3f rectX = rectData[2] - rectData[1];Vector3f rectY = rectData[1] - rectData[0];//  缩放
Vector3f xB(rectX.Length(), 0.0f, 0.0f);
Vector3f yB(0.0f, rectY.Length(), 0.0f);
Transform matScale(xB, yB, Vector3f::BasicZ, Vector3f::Zero);//  旋转到对应面Vector3f normal = (rectX * 100.0).CrossProduct(rectY * 100.0);//兼容值太小情况normal.Normalize();Vector3f nor2 = Vector3f::BasicZ.CrossProduct(normal);
double ang2 = Vector3f::BasicZ.Angle(normal);nor2.Normalize();
Transform matRotateFace(nor2, ang2);//  旋转到轴对齐Vector3f xAxis;Transform::MultVector(matRotateFace, Vector3f::BasicX, xAxis);double angXAxis = xAxis.AngleOnPlaneTo(rectX, normal);
Transform matRotateAxis(normal, angXAxis);//  偏移Vector3f rectCenter = 0.5 * (rectData[0] + rectData[2]);Transform matTrans;matTrans.SetTranslate(rectCenter);Transform matRe;Transform::Mult(matTrans, matRotateAxis, matRe);Transform matRe2;Transform::Mult(matRe, matRotateFace, matRe2);Transform matRe3;Transform::Mult(matRe2, matScale, matRe3);return matRe3;
}

上述代码过程给人的感觉是执行了一些计算过程，同时申请和释放了一些变量，嗯，这貌似不是一种良好的味道，尤其是在频繁执行时；而处理过多也意味着可能的误差累积过程...... 让我们来看下方式二吧~

提示

如果采用方式一进行选择框的绘制，那么记得在渲染循环中设置点光源位置为相机位置沿Front逆向偏移一段距离，以让选择框显示效果更亮。

20.2.方式二

方式二的过程流程如上图，

屏幕像素位置和深度对应三维空间中的位置，我们根据鼠标初始点击和当前位置，加之深度为0来通过渲染管线矩阵变换的逆过程得到在世界坐标系中的空间位置，构造空间矩形；然后setup；
经过渲染管线的处理，空间矩形被绘制在屏幕上，与初始鼠标位置和当前鼠标位置映射的轴对齐矩形；

20.3.补充

思考

为什么我们在计算屏幕点的空间位置时，选择深度为0呢？其实选择其他在[0,1]间的深度也可，经过渲染管线的处理同样能渲染到屏幕“正确”位置，但请想一下，我们为什么要显示选择框呢？为了更优化直观的展示选择范围，进而“选中”在其中的元素！
怎么判断在选择范围中呢？一种处理办法是考虑是否在“框选”的透视平截头体中对应空间内，也就是深度为0和深度为1构造的两个矩形拉伸的融合体范围内的元素。

构造好框选的融合体后，我们可以进一步构造空间BSP树，然后快速的判断场景中的元素是否在BSP树对应的空间内。

提示

我们实现的框选支持正选与反选，快来试着操作一下吧，向左上、右上、左下、右下画框选框，具体逻辑可自行思考~

20.4.总结

作者（哈市雪花）在GLViewer中采用了方式二来绘制框选框，二者各有优点，方式二具有更优的效率、准确性和可靠性，但其增加了相对多的接口。

我们回顾下框选实现逻辑，

点击按钮调用boxSelect进入框选状态，此时会屏蔽鼠标操作相机动作；
点击鼠标左键不放，进行移动过程中不断的调用ViewerSetting.UpdateRectSelect更新选择框位置；
鼠标左键松开时，清理当前选择内容，根据构造的选择空间（透视平截头体内连接近平面和远平面的融合体）调用Model.UpdateSelectInfo识别选择元素；同时调用ViewerSetting.ClearRectSelect清理选择框数据。