OSG实现正交投影

2019-08-10

  前段时间群里有人问OSG的正交投影怎么实现，似乎不熟悉的同学都陷入错误的思考方式，从而难以把问题想明白。其实，这个功能很简单。只要想明白了，就会豁然开朗，也能对类似的问题有所帮助。OSG内置的manipulator都是为透视投影准备的。但是，CAD程序多数情况下需要使用正交投影。OSG抽象了一个Manipulator类型，鼠标、键盘驱动camera进行交互浏览。其继承层次如下 ：

                                  GUIEventHandler
                     CameraManipulator
               StandardManipulator
          OrbitManipulator        
  TrackballManipulator                             

  所以，我们需要继承osgGA::StandardManipulator，实现一个新的manipulator。对于三维场景的操作，主要有三个：zoom、rotate、pan（平移）。要实现正交投影的manipulator，主要也是实现这三个操作的逻辑。这里要提一下，要明确一点，缩放是滑轮驱动的，关于缩放系数，只能自己决定；拖拽、平移，由窗口坐标系的像素单位移动引起，所以，需要把像素距离转换为三维世界的距离。

                                                        

  缩放。这个实现起来最简单。对于透视投影，想要放大，就需要camera与物体靠近，反之走远。这模拟的是真实世界。对于正交投影，改变camera与物体的距离，只能影响物体剔除。把右侧盒子想象为可以看到物体所在的空间，移动camera就相当于移动盒子。所以，只能改变盒子的宽高，亦即改变projection matrix。当缩小宽高时，相当于这个小人的一部分被投影到了同样大小的归一化平面上，最终仍显示在相同像素大小区域，那不就是放大了小人。
  平移。这个实现也简单。假设camera 位姿不变，亦即view matrix保持不变，把盒子在lookAt 垂直平面上平移。若盒子像右平移，小人图像就会从左侧慢慢消失。问题的关键是偏移的距离如何计算？因为在不同的应用程序中，单位不一样，数值可能相差很大，我们不能使用一种绝对数值，如每个像素对应1.0的距离。最简单的做法就是获取窗口的像素宽度，视野的世界坐标宽度，这样就能获取每像素移动所对应的世界坐标移动。仅仅设置projection matrix新的left, right, bottom, top, znear即可。
  旋转。这个最为困难。实现orthographic manipulator，我们同样需要view matrix，可以继续使用 初学者难以想明白流程。其实只要想明白最核心的一个问题即可。因为缩放、平移都没有改变view matrix，累计的projection matrix变动，会让我不确定它处于什么状态了。而且，旋转最简单分为两种情形：绕视野中心旋转、绕鼠标拖拽点旋转。鼠标拖拽点就是我们选择场景内物体的选择点坐标，其实，与视野中心点，在计算上，并没有什么不同。这个过程的关键，并不是思考camera是如何旋转的，而是，我们需要认为相机是不动的，旋转的是整个世界。旋转一个像素所带来的_rotation累计，直接记录在_rotation = _rotation * new_rotate; 这个量是孤立的。这样，我们便能计算出新的view matrix了：

osg::Matrixd newViewMatrix = getNewViewMatrix(rotateCenter, _rotation, _distance);

  到此时，就到了问题的关键点了。我们假设camera是不变的，那么，在camera坐标系中，旋转中心是不变的，而视野中心与旋转中心的相对位置是固定的，既然已经得到了新的view matrix，那么新的视野中心世界坐标转手即可得：

        osg::Vec3d fixPointView = rotateCenter * viewMatrix;
       osg::Vec3d newCenterView = oldCenterView*2.0 - fixPointView;
      osg::Vec3d newCenterWorld = newCenterView *  newViewMatInv;
      _center = newCenterWorld;

  对于整个三种操作过程，view matrix需要保存在manipulator，且同步到camera，projection matrix算好了，就需要直接写入camera。

如果有任何意见，欢迎留言讨论。 


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