三维点云渲染引擎制作

很久没有写博客了，前段时间由于工作需要切换到做遥感影像渲染与处理，关于遥感影像渲染与处理会继如果有机会再单独写。三维渲染并非自己本专业 ，当然对一个程序员而言无所谓专业或非专业，有的只是数据处理。本文只针对三维点云、三面片渲染而言，主要显示与处理三维扫描仪点云数据。对一些常用功能的制作与自己制作过程中遇到的问题进行说明。

在点云的渲染中本人接触到的开源三维渲染引擎有OSG，MeshLab,PointCloud，对于开源的三维渲染引擎最大的弊端是难以控制，对一些交互不友好的功能难以改动。上述开源三维渲染引擎中操作器不能做到定点缩放，即缩放前后鼠标所指的物体位置发生了改变。这与商业渲染引擎在交互体验上拉开了相当大的差距。以OSG为例其放大缩小是改变视图矩阵来实现缩放。因而其会受opengl显示维度的限制，由于其平移同样使用更改视图矩阵导致其无法实现定点缩放。本人曾经尝试过修正，很遗憾没能成功（也有可能是对其理解不深入）。在三维点云处理中使用最多的是GeoMagic，其交互流畅友好，因此其是一个很好的参照。

先上张图

下面具体说几个通用需求的制作：

（1）对点云正反面不同的着色。

上述几个开源渲染引擎中都未提供该功能，当然可以自己手动实现。opengl中提供了三角面片的正反面着色的函数没有点云的。点云的正反面着色通过自定义shader进行，要进行正反面着色就需要法线。在glsl中，通过传入的法线与光心的夹角判断其朝向然后使用不同的颜色。三角网格的正反面着色同理。

（2）着色模式

flat或者smooth在shader中设定。

（3）三维坐标绘制

A、先绘制中心点（其实质是一个球）。

B、再绘制三个轴，三个轴其实现是一个圆柱，通过矩阵进行旋转得到三个不同的方向。

C、箭头，其实质是一个圆锥挂在圆柱上。

D、x、y、z使用了gltext库进行绘制。

把场景中的旋转矩阵传给当前三维坐标轴即实现了三维坐标的显示。本例绘制过程使用了glut进行球、圆柱及圆锥，使用显示列表进行调用 。需要另外设置视图与投影矩阵，投影矩阵采用平行投影。

（4）视图矩阵的设定

对于视图矩阵的设定可以参考OSG的设定方式，其基础类型的定义也可以参考OSG，本示例基础数据结构皆参考OSG。

（5）vao与vbo

两都可以把数据刷到显存中，只是vao需要计录偏移量，为了操作上的方便推荐尽量使用vbo。

（6）背景

本例背景就是一个（-1，1）的GL_QUADS然后贴了一张图。需要另外设置视图与投影矩阵，投影矩阵采用平行投影。

（7）关于Geomagic中顶视图、底视图、左视图、右视图、前视图、后视图、等视图

对于这几种视图其实质是改变视图矩阵中的lookup，即相机的摆放，正着摆，侧着摆，侧着摆等。

（8）透视投影与平行投影切换

可以参考osg中矩阵定义中透视投影与平行投影的计算，然后就可以自由切换。

（9）轨迹球

轨迹球 用以显示当前旋转方向与角度，与旋转中心相关。本例提供了包围球 中心，固定中心与动态中心三种及三种中心的自由切换，与GeoMagic一致。这个比较费事，后面有机会单独说明原理 。

（10）点云或者三角面片选择

主要涉及两个问题：

A、套索的绘制

套索需要永远显示在物体最上面，常规的通过屏幕点转世界坐标后绘制，当视图矩阵发生改变时，套索会出现有些地方不显示或者被物体遮挡。无论怎么设置depthfunc或者depthrange都不能解决上述现象，其原因在于屏幕转世界时的点，由于深度的原因被干掉了，所以不会永远显示或显示总显示物体上方。其解决办法是把投影切换到平行投影后，把远近调整到（-1，1）直接把屏幕坐标转到opengl坐标下绘制就OK了。套索下图红色。

B、不同状态点云不同颜色的显示

需要注意的是由于采用glsl，本人暂时没有找到把标记传到glsl中的方法，貌似glsl不支持额外的属性设置。因此只能多次绘制，以达到该效果。

（11）网格绘制 出点，线、面三种状态

一次绘制不能同时显示三种 ，需要多次绘制。

差不多就这么多吧，可能说的比较模糊，只是当遇到具体问题时再看这些个就比较明了了。