场景图形管理 - （1）

本章主要介绍在场景图形中如何管理场景数据及交互过程，这在实际开发中非常重要。

1. 1. 视图与相机

        什么是视图?在《OpenGL编程指南》中有下面的比喻，从笔者开始学习图形学就影响深刻，相信对读者学习场景管理也会非常有帮助。

        产生目标场景视图的变换过程类似于用相机进行拍照，主要有如下的步骤:

1. 把相机在脚架上，让对对准场景（视图变换）。
2. 对场景进行安排，使照片中各物体位于读者所希望的位置（模型变换)
3. 选择照相机镜头，并调整放大倍数《投影变换)
4. 确定最终照片的大小，如放大(视口变换)。

当完成这些步骤以后，它就可以绘制场景了。视图可以简单理解为一个场景拍照。通过上面一个非常形象而生动的比喻，读者应该了解了三维图像的显示流程，如图 8-1 所示

图8-1 三维图像的显示流程

        将世界坐标系中的三维物体经过一系列几何变化(包括平移、旋转和伸缩等)，为了使显示的物体能以合适的位置、大小和方向显示出来，必须要通过投影，然后定义一个三维视景体，对物体进行裁剪，只使投影在视景体内的部分显示出来，然后在屏幕窗口内定义一个矩形，称为视口(Viewport)，视景体投影后的图形就在视口内显示，最后作一些适当变换，使图形在屏幕坐标系下显示。

     在OSG中，包含 SimpleViewer、Viewer 和CompositeViewer3大视口类。设计SimpleViewer 的目的很简单，主要是为了满足用户的需求，使一个已有的程序移植到OSG中，实现与现有框架匹配的简单视口类。对于Viewer和 CompositeViewer类，后面几节中将有专门的讲解。

1. 1. 1. osg::Camera类

        osg::Camera类继承自 osg::Transform和osg:CullSettings 类，用来管理OSG中的模型-视图矩阵，其继承关系图如图8-2所示。

        相机的管理主要是通过各种变换来实现的，在 OpenGL 中如此，在OSG中同样也是如此。在前面已经说到OSG中的图形的显示流程，下面详细说明各种变换。

1. 视点变换

视点变换就是设置视点的方向和位置。默认情况下,视点定位为坐标原点,指向Y正方向。在Camera中的视点变换函数如下:

void setViewMatrixAsLookAt(const osg:Vec3d &eye, const osg::Vec3d ¢er, const osg::Vec3d &up)

void getViewMatrixAsLookAt(osg.:Vec3d &eye, osg::Vec3d ¢er, osg::Vec3d &up, double lookDistance=1.0)

void getViewMatrixAsLookAt(osg.:Vec3f &eye, osg::Vec3f ¢er, osg::Vec3f &up, float lookDistance=1.0)

第一个参数是视点的位置，第二个参数是参考点的位置，该点通常为场景中的中心轴上的点，第三个参数是视点向上的方向向量的方向

图8-2 osg::Camcra 的继承关系图

1. 模型变换

模型变换就是对模型的位置、大小及角度的变换。在前面已经讲到了通过两个基本的节点-位置变换节点(osg::PositionAttitudeTransform)和矩阵变换节点(osg:MatrixTransfom)来实现模型变换这里不再重述。

1. 投影变换

投影变换在显示流程中是一个非常重要的环节。经过模型视景的转换后，场景中的物体放在了所希望的位置上，但由于显示器只能用二维图像显示三维物体，因此就要靠投影来降低维数。

事实上，投影变换的目的就是定义一个视景体，使视景体外多余的部分被裁剪掉，最终进入图像的只是视景体内的有关部分。投影包括透视投影(Perspective Projection)和正视投影(OrthographicProjection)两种

透视投影比较好理解，符合正常的视觉现象。离视点越近，物体越大;离视点越远，物体越小当远到极点时，物体消失，变成灭点。

在OSG中，有两种透视投影，即透视视景体和对称透视视景体。

• 透视视景体的函数如下：

void setProjectionMatrixAsFrustum(double left, double right,double bottom,double top,double zNear,double zFar);

bool getProjectionMatrixAsFrustum(double &left,double &right,double &bottom,double &top,double &zNear,double &zFar);

*创建或者得到一个透视视图平截体的矩阵，并把它与当前矩阵相乘。第1-4 个参数分别是近裁剪面的参数信息，第五个参数表示从视点到近裁面的距离:第六个参数表示从视点到远裁剪面的距离，注意，zNear和zFar 必须指定为正数，如图8-3所示*/

图8-3透视投影

• 对称透视视景体的函数如下:

void setProjectionMatrixAsPerspective(double fovy, double aspectRatio, double zNear, double zFar);

bool getProjectionMatrixAsPerspective(double &fovy, double &aspectRatio, double &zNcar, double &zFar);

/*创建或者得到一个对称透视视图的平截头体的矩阵，并与当前矩阵相乘。第一个参数表示z平面视野角度，第二个参数表示平截头的纵横比:第三个参数表示视点与近裁面的距离,第四个参数表示视点与远裁剪面的矩阵，注意，必须为正数，如图8-4所示*/

图8-4 对称透视投影

使用对称透视视景体时需要注意视野角度，如果调整不好，会导致图形的变形，就是后面会讲到的宽屏变形问题，后面会提出一种解决方案，就是通过设置对称透视视景体实现的。

正射投影也包括两种，即正射投影和 。

• 正射投影函数如下

void setProjcctionMatrixAsOrtho(double left, double right, double bottom, double top, double zNear, double zFar);

 bool getProjectionMatrixAsOrtho(double &lef, double &right, double &bottom, double &top, double &zNear, double&zFar);

/*创建或者得到一个平行正射投影矩阵，并与当前矩阵相乘。第1~4个参数分别是近裁剪平面的参数信息，第二个参数表示视点距近裁剪面的距离:第三个参数表示视点距远裁剪面的距离，注意，必须为正数且为不同的值，如图 8-5所示/

• 特殊正射投影函数如下

void setProjectionMatrixAsOrtho2D(double left double right double bottom, double top)

/*创建一个表示把二维投影坐标投影到屏幕上的矩阵，并与当前矩阵相乘，第1-4个参数表示矩阵的信息*/

使用正射投影矩阵把二维图像投影到二维屏幕时，需要注意的是，要指定Near和Far分别为-1.0和 1.0当然，此时采用特殊的正射投影矩阵也可以完成这种渲染效果。

1. 视口变换

视口变换就是将视景体内投影的物体显示在二维的视口平面上。在计算机图形学中，它的定义是将经过几何变换、投影变换和裁剪变换后的物体显示于屏幕窗口内指定的区域内，这个区域通常为矩形，称为视口。

视口变换函数如下:

void setViewport(osg::Viewport  viewport);

void setViewport(int x, int y,int width, int height);

const Viewport *getViewport() const;

Vicwport *getViewport();

/*创建或者得到一个视口。

第1-2个参数表示屏幕左下角的坐标:第三个参数表示屏幕宽度，第四个参数表示屏幕高度，默认情况下，表示整个屏幕大小*/

1. 裁剪变换

在OSG中，默认了6个裁剪平面以去除没有必要显示的物体。读者还可以定义其他的裁剪平面来确定裁剪。定义裁剪平面的方法有很多，如osg::Scissor和osg::ClipPlane等。

osg::ClipPlane类继承自osg::StateAttribute类，封装了OpenGL中的glClipPlane()函数，继承关系图如图8-6所示。

图8-6 osg::ClipPlane 的继承关系图

在类的成员函数中，设置裁剪平面的有下面几个函数:

void setClipPlane(const Plane &plane);

void setClipPlane(double a, double b, double c, double d);

void setClipPlane(const Vec4d &plane);

/*参数都指向一个裁剪平面，裁平面可以用 Ax+By+Cz+D-0方程表示。因此，A,B,C,D,4个数依次表示裁剪平面方程的4个参数*/

上面的方法只是设置一个裁剪平面的参数，如果想要调用该裁剪平面，还需要在属性中开启该裁剪平面，如下面的代码:

root->getOrCreateStateSet()->setAttributeAndModes(cc, osg::StateAttribute ::ON )

如果在应用程序中要指定多个裁剪平面，此时需要注意指定平面的索引，否则前面先指定的裁剪平面会被覆盖。可以使用下面的函数:

void setClipPlaneNum(unsigned int num)；

unsigned int getClipPlaneNum() const;

/* 得到一个裁剪平面的索引或者指定一个平面的索引 */

osg::Scissor 类继承自 osg:StateAttribute 类装了 OpenGL 中 glScissor()函数，继承关系图如图8-7所示。

该类主要用于设置一个视口裁剪平面矩形。设置裁剪平面矩形的函数如下：

void setScissor(int x, int y, int width, int height);// 参数表示一个平面矩形的信息（左下角坐标、宽度和高度)。

上面讲了几种变换，理解这几种变换对学习后面的内容是非常有帮助的。在osgCamera类中除了定义一些基本变换以外，还添加了其他的操作，如清除背景色和清除各种缓存信息等。

清除背景色可以用下面的函数:

void setClearColor(const osg::Vec4 &color)

const osg::Vec4 & getClearColor()const

清除各种缓存信息可以用下面的函数:

void setColorMask(osg::ColorMask *colorMask)：

void setColorMask(bool red, bool green, bool blue, bool alpha);

const ColorMask * getColorMask()const;

ColorMask *getColorMask0;

例如，“viewer->getCamera->setClearMask(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT|GL_STENCIL_BUFFER_BIT);”向函数中传入OpenGL缓存标示，表示清除颜色深度和模板缓存。

1. 1. 1. 裁平面示例(一)

裁剪平面(osg::ClipPlane)示例(一)的代码如程序清单8-1所示

void clipPlane_8_1(const string strDataFolder)

{

    osg::ref_ptr viewer = new osgViewer::Viewer();

    osg::ref_ptr traits = new osg::GraphicsContext::Traits;

    traits->x = 40;

    traits->y = 40;

    traits->width = 600;

    traits->height = 480;

    traits->windowDecoration = true;

    traits->doubleBuffer = true;

    traits->sharedContext = 0;

    osg::ref_ptr gc = osg::GraphicsContext::createGraphicsContext(traits.get());

    osg::ref_ptr camera = new osg::Camera;

    camera->setGraphicsContext(gc.get());

    camera->setViewport(new osg::Viewport(0, 0, traits->width, traits->height));

    GLenum buffer = traits->doubleBuffer ? GL_BACK : GL_FRONT;

    camera->setDrawBuffer(buffer);

    camera->setReadBuffer(buffer);

    viewer->addSlave(camera.get());

    // 创建一个裁剪平面;

    osg::ref_ptr cp1 = new osg::ClipPlane();

    // 设置裁剪平面

    cp1->setClipPlane(0, 1, 1, 1);

    // 指定平面索引

    cp1->setClipPlaneNum(0);

    // 创建一个裁剪平面

    osg::ref_ptr cp2 = new osg::ClipPlane();

    // 设置裁剪平面

    cp2->setClipPlane(1, 0, 0, 1);

    // 指定平面索引

    cp2->setClipPlaneNum(1);

    osg::ref_ptr root = new osg::Group();

    // 读取模型

    string strDataPath = strDataFolder + "cow.osg";

    osg::ref_ptr node = osgDB::readNodeFile(strDataPath);

    root->addChild(node.get());

    // 启用裁剪平面

    root->getOrCreateStateSet()->setAttributeAndModes(cp1.get(), osg::StateAttribute::ON);

    root->getOrCreateStateSet()->setAttributeAndModes(cp2.get(), osg::StateAttribute::ON);

    // 优化场景数据

    osgUtil::Optimizer optimizer;

    optimizer.optimize(root.get());

    viewer->setSceneData(root.get());

    viewer->realize();

    viewer->run();

}

运行程序，截图如图8-8所示

图8-8裁平面示例(一)截图