浅谈OSG的默认视点方向
目录
1. 前言
2. OPenGL坐标系和OSG坐标系
3. 默认视点有关的几个案例
4. 视点操作
4.1. 视点调整
4.2. 左右转动
4.3. 向前走
5. 总结
6. 参考资料
1. 前言
在OSG开发中，对视点的理解透彻是必须可少的，特别是在进行自定义操控器类的开发中，对视点的深刻理解，更是重要，否则自定义的操控器功能可能会不正常、不会按预想的那样。关于怎么编写自定义操控器，可参考：自定义一个简单的操控器类。
默认视点方向为何如此重要？因为旋绕、移动操作最开始是建立在默认视点基础上，即以默认视点为基础进行旋转、移动，从而在视觉上让人觉得场景在变化。如果默认视点方向理解错了，则后续的旋绕、移动操作都是错的，从而导致场景的旋转、移动不是预想的。
2. OPenGL坐标系和OSG坐标系
OPenGL坐标系和OSG坐标系都是右手坐标系。OPenGL坐标系如下：
图1
- 红色表示X轴正半轴，朝向右边。
- 绿色表示Y轴正半轴，方向从底部垂直指向顶部。
- 蓝色表示Z轴正半轴，方向垂直屏幕，由屏幕内部指向屏幕外部。
OSG的坐标系如下：
图2
- 红色表示X轴正半轴，朝向右边。
- 绿色表示Y轴正半轴，方向指向屏幕内部。
- 蓝色表示Z轴正半轴，方向由屏幕底部指向顶部。
可以看到OSG坐标系其实是OSG在其内核中将OPenGL坐标系绕X轴正半轴顺时针旋转了90°。
3. 默认视点有关的几个案例
案例1：
如下代码：
#include
#include
int main()
{
osg::ref_ptr viewer = new osgViewer::Viewer;
osg::ref_ptr root = new osg::Group;
osg::ref_ptr node = osgDB::readNodeFile("cow.osg");
root->addChild(node);
viewer->setSceneData(root.get());
viewer->run();
}
代码段1
加载了一个奶牛模型到视景器中：
图3
注意：在用osg进行场景显示时，必须至少存在一个操控器类对象，即必须至少存在一个从osgGA::CameraManipulator派生的子类对象，且必须通过如下函数
viewer->setCameraManipulator(操控器类对象);代码段2
将该操控器类子对象设置到视景器中，否则osg程序就会因为没有操控器类对象而崩溃终止。读者可能会问了：上面代码没见设置操控器到视景器中啊！通过跟踪
viewer->run();代码段3
这句代码后到Viewer::run函数：
int Viewer::run()
{
if (!getCameraManipulator() && getCamera()->getAllowEventFocus())
{
setCameraManipulator(new osgGA::TrackballManipulator());
}
setReleaseContextAtEndOfFrameHint(false);
return ViewerBase::run();
}代码段4
才明白osg检测到外层如果没有设置操控器，则就为我们设置一个osgGA::TrackballManipulator即跟踪球操控器。正是在因为设置了跟踪球操控器，才导致程序一起来，我们就能看到奶牛位于视景器中心，视点由Y轴负半轴看向正半轴。即跟踪球操控器将默认视点方向改变为由Y轴负半轴看向正半轴。那么最开始的默认视点方向是朝向哪里？即如果不用跟踪球操控器或不人为调整默认视点方向，默认视点朝向哪个方向呢？
附：关于跟踪球操控器是如何将场景调整到视景器中心、如何调整默认视点方向的，请参考：
osgGA::CameraManipulator类computeHomePosition函数分析博文。
案例2：
#include
#include
#include
osg::Node* createBase(const osg::Vec3 center, float radius)
{
osg::Group* root = new osg::Group;
int numTilesX = 10;
int numTilesY = 10;
float width = 2 * radius;
float height = 2 * radius;
osg::Vec3 v000(center - osg::Vec3(width * 0.5f, height * 0.5f, 0.0f));
osg::Vec3 dx(osg::Vec3(width / ((float)numTilesX), 0.0, 0.0f));
osg::Vec3 dy(osg::Vec3(0.0f, height / ((float)numTilesY), 0.0f));
// fill in vertices for grid, note numTilesX+1 * numTilesY+1...
osg::Vec3Array* coords = new osg::Vec3Array;
int iy;
for (iy = 0; iy <= numTilesY; ++iy)
{
for (int ix = 0; ix <= numTilesX; ++ix)
{
coords->push_back(v000 + dx * (float)ix + dy * (float)iy);
}
}
//Just two colours - black and white.
osg::Vec4Array* colors = new osg::Vec4Array;
colors->push_back(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)); // white
colors->push_back(osg::Vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f)); // black
osg::ref_ptr whitePrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);
osg::ref_ptr blackPrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);
int numIndicesPerRow = numTilesX + 1;
for (iy = 0; iy < numTilesY; ++iy)
{
for (int ix = 0; ix < numTilesX; ++ix)
{
osg::DrawElementsUShort* primitives = ((iy + ix) % 2 == 0) ? whitePrimitives.get() : blackPrimitives.get();
primitives->push_back(ix + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
primitives->push_back(ix + iy * numIndicesPerRow);
primitives->push_back((ix + 1) + iy * numIndicesPerRow);
primitives->push_back((ix + 1) + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
}
}
// set up a single normal
osg::Vec3Array* normals = new osg::Vec3Array;
normals->push_back(osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));
osg::Geometry* geom = new osg::Geometry;
geom->setVertexArray(coords);
geom->setColorArray(colors, osg::Array::BIND_PER_PRIMITIVE_SET);
geom->setNormalArray(normals, osg::Array::BIND_OVERALL);
geom->addPrimitiveSet(whitePrimitives.get());
geom->addPrimitiveSet(blackPrimitives.get());
osg::Geode* geode = new osg::Geode;
geode->addDrawable(geom);
geode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);
root->addChild(geode);
root->addChild(osgDB::readNodeFile("axes.osgt"));
return root;
}
int main()
{
osgViewer::Viewer viewer;
auto pAnimationPath = new osg::AnimationPath;
osgGA::AnimationPathManipulator* apm = new
osgGA::AnimationPathManipulator(pAnimationPath )
osg::Vec3d eye, center, up;
apm->getHomePosition(eye, center, up);
std::cout << "eye pos:" << "x: " << eye.x() << "y: " << eye.y() << "z: " << eye.z() << std::endl;
viewer.setCameraManipulator(apm);
viewer.setSceneData(createBase(osg::Vec3(0.0, 0.0, 0.0), 20.0));
viewer.run();
}
代码段5
上面的代码，以坐标原点为中心，分别在X、Y正负轴绘制了一个10 * 10的黑白嵌套的类似棋盘的地砖，并安装了动画路径操控器（关于动画路径操控器的详细描述，请参考：osg操控器之动画路径操控器osgGA::AnimationPathManipulator分析博文），本想得到如下结果：
图4
然而得到的却是如下结果：
图5
这显然不是我们想要的结果。造成这种现象的原因是：没有调整视点位置和方向，程序采用的是默认视点位置和方向，即默认观察点看向的方向没有看到场景，即没看到地砖。那么最开始的默认视点方向是朝向哪里，默认视点位置位于何处？我们应该怎样调整视点位置和方向，才能看到场景地砖？
4. 视点操作
4.1. 视点调整
从上面的打印可以看出：默认视点即_eye，其位置位于（0.0, -1.0, 0.0）处。现在首先要弄明白的是当_rotation = 0,0,0的时候，它朝哪？这是个默认朝向，然后我们根据它朝哪，我们才能做自己的操作。还是结合前面的黑白地砖例子来讲，视点默认朝向如下图：
图6
其中红色是x轴，绿色是y轴，蓝色是z轴。可以看到_rotation = 0,0,0的时候，默认视点朝向z轴负方向，且头顶是y轴，右手是x轴。 现在要把它移向正常的朝向，期望像图4那样。对比默认朝向，只需要沿x轴正半轴顺时针旋转90度就可以了（关于顺、逆时针的旋转的具体介绍，请参考：左/右手坐标系绕不同轴顺时针旋转动不同的理解与总结）。因此我们在_rotation的时候这样定义了：
_rotation = osg::Vec3(osg::inDegrees(90.0), 0.0, 0.0);代码段6
理解了上面所讲的，更改代码段5中的main函数如下：
int main()
{
osgViewer::Viewer viewer;
osg::Quat rotate(osg::inDegrees(90.0), osg::X_AXIS);
auto pAnimationPath = new osg::AnimationPath;
pAnimationPath->insert(0.0, osg::AnimationPath::ControlPoint(osg::Vec3d(0.0, -18.0, 1.0), rotate));
osgGA::AnimationPathManipulator* apm = new osgGA::AnimationPathManipulator(pAnimationPath);
osg::Vec3d eye, center, up;
apm->getHomePosition(eye, center, up);
std::cout << "eye pos:" << "x: " << eye.x() << "y: " << eye.y() << "z: " << eye.z() << std::endl;
viewer.setCameraManipulator(apm);
viewer.setSceneData(createBase(osg::Vec3(0.0, 0.0, 0.0), 20.0));
viewer.run();
}代码段7
即
- 先将默认视点方向绕x轴正半轴顺时针转动90°。
- 再将其在0s时刻即立马移动到(0.0, -18.0, 1.0)位置。
经过上述调整视点朝向和位置后，就可以看到图4的场景效果了。
4.2. 左右转动
以下摘自杨石兴博客：
没有什么特别的原因，旋转我们就不需要操作xy轴的旋转了，向左向右旋转在上图的基本上其实就是绕z轴旋转。这里要注意方向，比如绕z轴旋转45度，是看向这里：
图7
图中示意的角度是45度，靠近z轴的红色箭头就是当前的朝向。注意旋转10度，是顺时针旋转10度，-10度是逆时针旋转10度。在事件处理中点q我们就加2度（顺时针），点e我们就减两度（逆时针）。代码如下：
if ((ea.getKey() == 'q') || (ea.getKey() == 'Q')) //右转
{
_rotation.z() += osg::inDegrees(2.0);
if (_rotation.z() > osg::inDegrees(180.0))
{
_rotation.z() -= osg::inDegrees(360.0);
}
}
if ((ea.getKey() == 'E') || (ea.getKey() == 'e')) // 左转
{
_rotation.z() -= osg::inDegrees(2.0);
if (_rotation.z() < osg::inDegrees(-180.0))
{
_rotation.z() += osg::inDegrees(360.0);
}
}
代码段8
4.3. 向前走
以下摘自杨石兴博客：
向前走是点w，也是个大难题，容易把人绕晕乎。向前走不涉及z的值，只涉及xy的值。而具体往哪个方向走，将步长固定下来，则xy方向上的变化量就是与朝向有关系了，如下图所示：
图8
上图看仔细了啊，现在我们站在原点，要走向红线的另一头，红线的长度是步长，_eye的z值怎么走都不变，则如图走到红线另一头则x方向上的变化是绿线，y方向上的变化是黄线，图中蓝线的角度就是_rotation.z()，图上这个角度肯定是负的，因为是顺时针转了一点点。默认朝向是朝y轴正方向的，顺时针转了一点点就是负值，是蓝色的角度。已知蓝色的角度，和红色的步长，那求出来黄色和绿色就是分分钟的事情了。
这里面在第一四象限可以用一个公式，在二三象限可以用一个公式。角度有正负、xy有正负、正逆时针旋转有正负，这三个正负搅和在一起，让你没有本文辅佐实难理清呀。拿第一象限来说，蓝色角度_rotation.z()在[0, 90]之间，stepSize * std::sin(_rotation.z()) 就是绿线。stepSize * std::cos(_rotation.z());就是黄线。慢慢理吧，以下是代码：
if ((ea.getKey() == 'w') || (ea.getKey() == 'W'))//前进
{
float stepSize = 0.5;
float zRot = _rotation.z();//[-180, 180]
//判断朝向以xy为平面的哪个象限,注意默认是朝各Y轴正方向的，时不时就得提一下
//第一象限||第四象限
if (((zRot >= osg::inDegrees(0.0)) && (zRot <= osg::inDegrees(90.0)))|| ((zRot <= osg::inDegrees(180.0)) && (zRot >= osg::inDegrees(90.0))))
{
_eye.x() += stepSize * std::sin(zRot);
_eye.y() += stepSize * std::cos(zRot);
}
else //二三象限
{
_eye.x() += stepSize * std::sin(-zRot);
_eye.y() += stepSize * std::cos(-zRot);
}
}
代码段9
以下是所有的代码，在一个cpp文件中，直接拷走可用：
#include
#include
#include
#include
#include
class TravelCameraManipulator : public osgGA::CameraManipulator
{
public:
TravelCameraManipulator()
{
//初始的场景是个20x20的棋盘，中心点在[0,0],xy的坐标范围是从[-10,10]，z=0
//设置_eye的出生点
_eye = osg::Vec3(0.0, -8, 1.0);
//这里很关键，_rotation=(0,0,0)的情况下视点会朝向哪里呢，这是个基准参考量，后面的旋转都是从
//这里来，所以务必要弄清楚，000时的朝向是Z轴负方向，头顶向Y轴正方向，自然右手边就是X轴正方向
//在简书的文章里有图，简书搜杨石兴，《osg3.6.5最短的一帧》等找找
//我们要想让视角转着朝向前方，也即站在(0.0, -8, 1.0）看向(0,0,0)，则只需要看向Y轴
//正方向就可以，则只需要x轴方向逆时针转90度，则出生就是朝向这里了
//用户可以自己修改这个值感受一下
_rotation = osg::Vec3(osg::inDegrees(90.0), 0.0, 0.0);
}
//这三个纯虚函数本例不会使用
virtual void setByMatrix(const osg::Matrixd& matrix) {};
virtual void setByInverseMatrix(const osg::Matrixd& matrix) {};
virtual osg::Matrixd getMatrix() const { return osg::Matrix::identity(); };
//最关键的是这个，这个返回的就是ViewMatrix
virtual osg::Matrixd getInverseMatrix() const
{
return osg::Matrix::inverse(osg::Matrix::rotate(_rotation.x(), osg::X_AXIS, _rotation.y(), osg::Y_AXIS,
_rotation.z(), osg::Z_AXIS) * osg::Matrix::translate(_eye));
};
//事件处理，我们要点击A就围着Z轴顺时针转动，点D就逆时针转动，转的时候始终朝0 0 0 点看着
virtual bool handle(const osgGA::GUIEventAdapter& ea, osgGA::GUIActionAdapter& us)
{
if (ea.getEventType() == osgGA::GUIEventAdapter::KEYDOWN)
{
//若是A键
if ((ea.getKey() == 'q') || (ea.getKey() == 'Q')) // 右转
{
_rotation.z() += osg::inDegrees(2.0);
if (_rotation.z() > osg::inDegrees(180.0))
{
_rotation.z() -= osg::inDegrees(360.0);
}
}
if ((ea.getKey() == 'E') || (ea.getKey() == 'e')) // 左转
{
_rotation.z() -= osg::inDegrees(2.0);
if (_rotation.z() < osg::inDegrees(-180.0))
{
_rotation.z() += osg::inDegrees(360.0);
}
}
if ((ea.getKey() == 'w') || (ea.getKey() == 'W'))//前进
{
float stepSize = 0.5;
float zRot = _rotation.z();//[-180, 180]
//判断朝向以xy为平面的哪个象限,注意默认是朝各Y轴正方向的，时不时就得提一下
//第一象限||第四象限
if (((zRot >= osg::inDegrees(0.0)) && (zRot <= osg::inDegrees(90.0)))|| ((zRot <= osg::inDegrees(180.0)) && (zRot >= osg::inDegrees(90.0))))
{
_eye.x() += stepSize * std::sin(zRot);
_eye.y() += stepSize * std::cos(zRot);
}
else //二三象限
{
_eye.x() += stepSize * std::sin(-zRot);
_eye.y() += stepSize * std::cos(-zRot);
}
}
}
return false;
}
//视点位置
osg::Vec3d _eye;
//视点朝向
osg::Vec3d _rotation;
};
osg::Node* createBase(const osg::Vec3 center, float radius)
{
osg::Group* root = new osg::Group;
int numTilesX = 10;
int numTilesY = 10;
float width = 2 * radius;
float height = 2 * radius;
osg::Vec3 v000(center - osg::Vec3(width * 0.5f, height * 0.5f, 0.0f));
osg::Vec3 dx(osg::Vec3(width / ((float)numTilesX), 0.0, 0.0f));
osg::Vec3 dy(osg::Vec3(0.0f, height / ((float)numTilesY), 0.0f));
// fill in vertices for grid, note numTilesX+1 * numTilesY+1...
osg::Vec3Array* coords = new osg::Vec3Array;
int iy;
for (iy = 0; iy <= numTilesY; ++iy)
{
for (int ix = 0; ix <= numTilesX; ++ix)
{
coords->push_back(v000 + dx * (float)ix + dy * (float)iy);
}
}
//Just two colours - black and white.
osg::Vec4Array* colors = new osg::Vec4Array;
colors->push_back(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)); // white
colors->push_back(osg::Vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f)); // black
osg::ref_ptr whitePrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);
osg::ref_ptr blackPrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);
int numIndicesPerRow = numTilesX + 1;
for (iy = 0; iy < numTilesY; ++iy)
{
for (int ix = 0; ix < numTilesX; ++ix)
{
osg::DrawElementsUShort* primitives = ((iy + ix) % 2 == 0) ? whitePrimitives.get() : blackPrimitives.get();
primitives->push_back(ix + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
primitives->push_back(ix + iy * numIndicesPerRow);
primitives->push_back((ix + 1) + iy * numIndicesPerRow);
primitives->push_back((ix + 1) + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
}
}
// set up a single normal
osg::Vec3Array* normals = new osg::Vec3Array;
normals->push_back(osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));
osg::Geometry* geom = new osg::Geometry;
geom->setVertexArray(coords);
geom->setColorArray(colors, osg::Array::BIND_PER_PRIMITIVE_SET);
geom->setNormalArray(normals, osg::Array::BIND_OVERALL);
geom->addPrimitiveSet(whitePrimitives.get());
geom->addPrimitiveSet(blackPrimitives.get());
osg::Geode* geode = new osg::Geode;
geode->addDrawable(geom);
geode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);
root->addChild(geode);
root->addChild(osgDB::readNodeFile("axes.osgt"));
return root;
}
int main()
{
osgViewer::Viewer viewer;
viewer.setCameraManipulator(new TravelCameraManipulator);
viewer.setSceneData(createBase(osg::Vec3(0.0, 0.0, 0.0), 10.0));
return viewer.run();
}
代码段10
注意：上面转动时，发现z轴也跟踪转动跑掉了，这是因为没固定视点和被观察物体中心点的距离导致的，如果想保持z轴固定不动，请参见：自定义一个简单的操控器类博文。
5. 总结
结合上面的分析，我们得出结论：
- OSG在内部已经将OPenGL的坐标系绕X轴正半轴顺时针旋转了90°。
- OSG并没对视点进行旋转或平移，仅仅只是某些自带的操控器(如：跟踪球操控器)实现了对视点进行调整，以使其朝向场景，但大部分是没有调整默认视点方向的，大多数情况下，调整默认视点方向是程序员的责任。
- 默认视点位置位于(0.0, -1.0, 0.0),朝向z轴负方向(屏幕向里)，且头顶是y轴，右手是x轴，如果场景不可见，则需调整视点位置和朝向。
6. 参考资料
【1】：第9节 实例-最简单的第一人称漫游操作器