osg使用八叉树结构来管理场景，以提高性能
本文转自第22.7节 性能篇-使用八叉树结构来管理场景。
天下武功，唯快不破
最近网友问了关于点云、倾斜摄影数据的性能优化问题。本来想刀枪剑戟、斧钺勾叉给弄了，但是后来想性能其实是个系统问题，要在第22节分成数小节扎扎实实的讲一讲。
鸣谢
非常感谢王锐王大神的cookbook，我准备主要参考它里面关于性能的一章。也就是第8章。
本节资源
本文集包括本节所有资源包括模型代码都在此下载，按节的序号有文件或文件夹：
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问题描述
我们为什么使用googlEarth或者osgEarth的时候，原则上可以加载无限大的数据呢，其原因就是因为其使用的是树状的组织结构，如下
图1
我们仍然来拿地球来想象，Level0是最粗的球，我们离的很远的时候是这个球。Level1是我们拉近一点，地球会一分为八，然后我们再对着其中一个角拉近就分裂成Level2的模样，这个角又一分为八。
粗的级别就显示粗的内容，细的级别就加载细的内容，就像高清影像的瓦片一样，第0级可以是整个地球，分辨率是256X256，然后一分为八，每张图片的范围变成了第0级的八分之一，但是分辨率仍然是256x256，就越往下拉越清晰。
本节我们就来构建这样一个八叉树的结构，本节如果你搞明白了，就入门了八叉树的结构，因为在构建树状结构的时候往往会用到递归。理解起来还是有点费劲的。LOD和PagedLOD都大量的用作构建数字地球等，其实原理都和本节差不多。
本节功能
1、随机生成5000个球，坐标范围在[-500, 500]。
2、对这5000个球生成八叉树，其结束条件是这样的：当结点的孩子小于16个时认为是叶结点，就不再往下分了。或者树的深度大于32也不往下分了。3、每一层我们用一个LOD来保存，当离的很远时显示父亲（把包围盒绘制出来），当拉近时父亲就一分为八。直到显示叶结点。听起来就晕了吧，一定要好好的缕一缕。
图2
图3
具体实现
1、随机生成小球没有什么好说的。我们将生成的所有的小球的包围盒都压在globalElements当中，将所有小球组成的最大包围盒记为globalBound
typedef std::pair ElementInfo;
osg::BoundingBox globalBound;
std::vector globalElements;
for ( unsigned int i=0; i<5000; ++i )
{
osg::Vec3 pos = randomVector( -500.0f, 500.0f );
float radius = randomValue( 0.5f, 2.0f );
std::stringstream ss; ss << "Ball-" << i+1;
osg::Vec3 min = pos - osg::Vec3(radius, radius, radius);
osg::Vec3 max = pos + osg::Vec3(radius, radius, radius);
osg::BoundingBox region(min, max);
globalBound.expandBy( region );
globalElements.push_back( OctreeBuilder::ElementInfo(ss.str(), region) );
}
2、然后我们直接就开始调用OctreeBuilder的build方法开始构建八叉树：
OctreeBuilder octree;
osg::ref_ptr root = octree.build( 0, globalBound, globalElements );
3、build是个递归方法，有三个参数，第一个是当前级别，第二个是当前包围盒，第三个是当前元素，其中主要干了以下几件事：
a) 先把当前包围盒的最大点、中间点、最小点给记录下来到extentSet中，以便以这三个数为界一分为八：
//存放当前包围盒的最大、中间、最小点，以为划分八叉树做准备
osg::Vec3 extentSet[3] = {
total._min,
(total._max + total._min) * 0.5f,
total._max
};
b) 把当前元素每个都判断一下是不是在当前盒子中，有人说了build(0,…)的时候那不废话吗，肯定都在盒子里了。但是build(1,…)的时候就不一定了。这一步是要判断传入的元素（往往是父结点的所有元素）是不是在当前盒子（子结点的盒子里），因此要进行判断：
std::vector childData;
//遍历父结点的所有孩子，让包含在当前盒子里的，不完全包含但是中点在盒子里的，都压入到
//当前盒子的子结点
for ( unsigned int i=0; i c) 判断完成之后，要看看当前盒子里的元素数量和级别，以此来判断当前盒子是不是叶结点
//如果当前结点的孩子数量已经达标，或者层数已经达标，则认为
//是叶结点
bool isLeafNode = false;
if ( (int)childData.size()<=_maxChildNumber || depth>_maxTreeDepth )
isLeafNode = true;
d) 如果不是叶结点，就继续再一分为八，这个时候就把a)里面存的数字extentSet，拿它来将空间分成八个盒子：
osg::ref_ptr childNodes[8];
//空间一分为八2*2*2
for ( s[0]=0; s[0]<2; ++s[0] ) //x
{
for ( s[1]=0; s[1]<2; ++s[1] ) //y
{
for ( s[2]=0; s[2]<2; ++s[2] ) //z
{
// Calculate the child extent
//extentSet 0是最小，1是中间，2是最大
//下面这个小算法有点磨人，分另求出min和max的x, y, z自己好好推几个试试
osg::Vec3 min, max;
for ( int a=0; a<3; ++a )
{
min[a] = (extentSet[s[a] + 0])[a];
max[a] = (extentSet[s[a] + 1])[a];
}
//这么求id是为了确保唯一性
int id = s[0] + (2 * s[1]) + (4 * s[2]);
childNodes[id] = build( depth+1, osg::BoundingBox(min, max), childData );
}
}
}
e) 如果是叶结点，那就构建一个LOD，离的远时，拿其父的包围盒构建一个盒子，离的近的时候就显示叶结点（小球）。
else //找到叶结点，递归就结束了
{
for ( unsigned int i=0; iaddChild( createElement(obj.first, center, radius) );
}
}
osg::Vec3 center = (total._max + total._min) * 0.5;
float radius = (total._max - total._min).length() * 0.5f;
//最后创建一个LOD，离的远了显示调试盒子，离的近了显示分的组
osg::LOD* level = createNewLevel( depth, center, radius );
level->insertChild( 0, createBoxForDebug(total._max, total._min) ); // For debug use
level->insertChild( 1, group.get() );
return level;
最后
理解了这一节，真算是你这个关于八叉树，四叉树方面算是有感觉了。你可能会有疑问，只有最底层才显示东西，这样的结构有什么用，因此你可以将小球进行抽稀，给每一级都放个球，这样就不会只显示一个空盒子了。地球就是这样的，父结点也有纹理高程，子结点也有纹理高程。
所有代码如下：
main.cpp:
/* -*-c++-*- OpenSceneGraph Cookbook
* Chapter 8 Recipe 7
* Author: Wang Rui
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "OctreeBuilder"
float randomValue(float min, float max)
{
return (min + (float)rand() / (RAND_MAX + 1.0f) * (max - min));
}
osg::Vec3 randomVector(float min, float max)
{
return osg::Vec3(randomValue(min, max),
randomValue(min, max),
randomValue(min, max));
}
class PrintNameVisitor : public osgUtil::PrintVisitor
{
public:
PrintNameVisitor( std::ostream& out ) : osgUtil::PrintVisitor(out) {}
void apply( osg::Node& node )
{
if ( !node.getName().empty() )
{
output() << node.getName() << std::endl;
enter();
traverse( node );
leave();
}
else osgUtil::PrintVisitor::apply(node);
}
};
int main( int argc, char** argv )
{
osg::BoundingBox globalBound;
std::vector globalElements;
for ( unsigned int i=0; i<5000; ++i )
{
osg::Vec3 pos = randomVector( -500.0f, 500.0f );
float radius = randomValue( 0.5f, 2.0f );
std::stringstream ss; ss << "Ball-" << i+1;
osg::Vec3 min = pos - osg::Vec3(radius, radius, radius);
osg::Vec3 max = pos + osg::Vec3(radius, radius, radius);
osg::BoundingBox region(min, max);
globalBound.expandBy( region );
globalElements.push_back( OctreeBuilder::ElementInfo(ss.str(), region) );
}
OctreeBuilder octree;
osg::ref_ptr root = octree.build( 0, globalBound, globalElements );
std::ofstream out("octree_output.txt");
PrintNameVisitor printer( out );
root->accept( printer );
osgViewer::Viewer viewer;
viewer.setSceneData( root.get() );
viewer.addEventHandler( new osgViewer::StatsHandler );
return viewer.run();
}
OctreeBuilder.h:
/* -*-c++-*- OpenSceneGraph Cookbook
* Chapter 8 Recipe 7
* Author: Wang Rui
*/
#ifndef H_COOKBOOK_CH8_OCTREEBUILDER
#define H_COOKBOOK_CH8_OCTREEBUILDER
#include
#include
class OctreeBuilder
{
public:
OctreeBuilder() : _maxChildNumber(16), _maxTreeDepth(32), _maxLevel(0) {}
int getMaxLevel() const { return _maxLevel; }
void setMaxChildNumber( int max ) { _maxChildNumber = max; }
int getMaxChildNumber() const { return _maxChildNumber; }
void setMaxTreeDepth( int max ) { _maxTreeDepth = max; }
int getMaxTreeDepth() const { return _maxTreeDepth; }
typedef std::pair ElementInfo;
osg::Group* build( int depth, const osg::BoundingBox& total,
std::vector& elements );
protected:
osg::LOD* createNewLevel( int level, const osg::Vec3& center, float radius );
osg::Node* createElement( const std::string& id, const osg::Vec3& center, float radius );
osg::Geode* createBoxForDebug( const osg::Vec3& max, const osg::Vec3& min );
int _maxChildNumber;
int _maxTreeDepth;
int _maxLevel;
};
#endif
OctreeBuilder.cpp:
/* -*-c++-*- OpenSceneGraph Cookbook
* Chapter 8 Recipe 7
* Author: Wang Rui
*/
#include
#include
#include
#include "OctreeBuilder"
osg::Group* OctreeBuilder::build( int depth, const osg::BoundingBox& total,
std::vector& elements )
{
int s[3]; // axis sides (0 or 1)
//存放当前包围盒的最大、中间、最小点，以为划分八叉树做准备
osg::Vec3 extentSet[3] = {
total._min,
(total._max + total._min) * 0.5f,
total._max
};
std::vector childData;
//遍历父结点的所有孩子，让包含在当前盒子里的，不完全包含但是中点在盒子里的，都压入到
//当前盒子的子结点
for ( unsigned int i=0; i_maxTreeDepth )
isLeafNode = true;
//当前八叉树根
osg::ref_ptr group = new osg::Group;
//如果不是叶结点，继续分，把空间一分为八
if ( !isLeafNode )
{
osg::ref_ptr childNodes[8];
//空间一分为八2*2*2
for ( s[0]=0; s[0]<2; ++s[0] ) //x
{
for ( s[1]=0; s[1]<2; ++s[1] ) //y
{
for ( s[2]=0; s[2]<2; ++s[2] ) //z
{
// Calculate the child extent
//extentSet 0是最小，1是中间，2是最大
//下面这个小算法有点磨人，分别求出min和max的x, y, z自己好好推几个试试
osg::Vec3 min, max;
for ( int a=0; a<3; ++a )
{
min[a] = (extentSet[s[a] + 0])[a];
max[a] = (extentSet[s[a] + 1])[a];
}
//这么求id是为了确保唯一性
int id = s[0] + (2 * s[1]) + (4 * s[2]);
childNodes[id] = build( depth+1, osg::BoundingBox(min, max), childData );
}
}
}
//八个子结点构建完毕后，加入到根结点当中
for ( unsigned int i=0; i<8; ++i )
{
if ( childNodes[i] && childNodes[i]->getNumChildren() )
group->addChild( childNodes[i] );
}
}
else //找到叶结点，递归就结束了
{
for ( unsigned int i=0; iaddChild( createElement(obj.first, center, radius) );
}
}
osg::Vec3 center = (total._max + total._min) * 0.5;
float radius = (total._max - total._min).length() * 0.5f;
//最后创建一个LOD，离的远了显示调试盒子，离的近了显示分的组
osg::LOD* level = createNewLevel( depth, center, radius );
level->insertChild( 0, createBoxForDebug(total._max, total._min) ); // For debug use
level->insertChild( 1, group.get() );
return level;
}
osg::LOD* OctreeBuilder::createNewLevel( int level, const osg::Vec3& center, float radius )
{
osg::ref_ptr lod = new osg::LOD;
lod->setCenterMode( osg::LOD::USER_DEFINED_CENTER );
lod->setCenter( center );
lod->setRadius( radius );
lod->setRange( 0, radius * 5.0f, FLT_MAX );
lod->setRange( 1, 0.0f, radius * 5.0f );
if ( _maxLevel geode = new osg::Geode;
geode->addDrawable( new osg::ShapeDrawable(new osg::Sphere(center, radius)) );
geode->setName( id );
return geode.release();
}
osg::Geode* OctreeBuilder::createBoxForDebug( const osg::Vec3& max, const osg::Vec3& min )
{
osg::Vec3 dir = max - min;
osg::ref_ptr va = new osg::Vec3Array(10);
(*va)[0] = min + osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
(*va)[1] = min + osg::Vec3(0.0f, 0.0f, dir[2]);
(*va)[2] = min + osg::Vec3(dir[0], 0.0f, 0.0f);
(*va)[3] = min + osg::Vec3(dir[0], 0.0f, dir[2]);
(*va)[4] = min + osg::Vec3(dir[0], dir[1], 0.0f);
(*va)[5] = min + osg::Vec3(dir[0], dir[1], dir[2]);
(*va)[6] = min + osg::Vec3(0.0f, dir[1], 0.0f);
(*va)[7] = min + osg::Vec3(0.0f, dir[1], dir[2]);
(*va)[8] = min + osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
(*va)[9] = min + osg::Vec3(0.0f, 0.0f, dir[2]);
osg::ref_ptr geom = new osg::Geometry;
geom->setVertexArray( va.get() );
geom->addPrimitiveSet( new osg::DrawArrays(GL_QUAD_STRIP, 0, 10) );
osg::ref_ptr geode = new osg::Geode;
geode->addDrawable( geom.get() );
geode->getOrCreateStateSet()->setAttribute(
new osg::PolygonMode(osg::PolygonMode::FRONT_AND_BACK, osg::PolygonMode::LINE) );
geode->getOrCreateStateSet()->setMode( GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF );
return geode.release();
}
原文地址：第22.7节 性能篇-使用八叉树结构来管理场景_八叉树抽稀-CSDN博客