基于OSG的三维引擎关键技术研究

2013-05-11曹莉

微型电脑应用 2013年10期

曹莉

0 引言

目前，在虚拟现实领域中，人们多数采用OpenGL的开发接口进行3D应用程序开发。这种开发接口仍然停留在几何体级别的操作层面，是一种明显带有面向过程特征的API，这使得系统在开发后期变得庞大而复杂，从而给系统维护和修改带来难度。

OSG(Open Scene Graph)是一个跨平台的开源的图形开发包，它基于场景图的概念，提供一个构建于OpenGL函数库之上的面向对象的框架，为图形程序的开发提供场景管理和渲染优化功能，从而使系统开发脱离几何体操作，转而处理具体的场景。

1 三维引擎概述

三维引擎作为一个名词已存在了很多年，但即使是一些专业的引擎设计师，也很难就它的定义达成一个共识。通常来说，三维引擎可以把它看成是对3D API的封装，并包含有对一些图形通用算法以及底层工具的封装。

从功能的角度来定义三维引擎，更能确切的表达出一个三维引擎的真实含义。一个三维引擎最基本的功能应该包括:

(l)对三维场景的数据管理:这里的数据管理是一个比较广泛的定义,不同的三维引擎也许会拥有其中一个或多个功能。这些功能包括:场景管理,对象系统,序列化,数据与外部工具的交互,底层三维数据的组织和表示。

(2)功能合理的渲染器:由于一个引擎的渲染能力是由多方面决定的，因此在设计初期需考虑到不同的开发项目有着不同的需求,在渲染器的功能选择上也应有所侧重。比如一款以实时游戏作为目标的游戏，会选择基于光栅化的渲染算法。

(3)与虚拟世界的交互能力:交互性是虚拟现实也是三维引擎的一个必需的要素,只有通过与虚拟世界的交互,才能使虚拟现实看上去更逼真,使人们产生沉浸感。

任何包含了上面三种功能的引擎,就可以称为三维引擎。而开发功能强大的引擎,则需要实现更多更庞大的功能。

2 OSG的基本理论

2.1 OSG场景管理

OSG采用场景图结构，如图1所示:

图1 场景图结构

来管理场景，它是一种自顶向下的，分层的树状数据结构。该结构以根节点表示整个三维场景；以组节点（osg::Group）表示物体属性信息，如矩阵变换、状态切换、细节层次等，在实现过程中，又以组节点为基类派生出变换节点（osg::Transform），开关节点（osg::Switch），细节层次节点（osg::LOD）等类，对属性信息进行分别管理；而叶子节点（osg::Geode）则代表物理对象本身或几何模型。这种结构既反映了场景的空间结构，也反映了对象的状态，便于提取数据节点之间的共有行为和属性。

场景图是一种中间件(middleware)，它构建于底层API函数之上，提供了高性能3D程序所需的空间数据组织能力及其它特性，表现了一个典型的OSG程序层次结构，如图2所示:

图2 3D程序层次结构

2.2 OSG场景渲染

一个场景图系统执行绘图遍历时，所有几何体是以OpenGL指令的形式发送到硬件设备上。这种机制无法实现诸如细节层次、渲染特效等高级特性。为了实现动态的几何体更新，拣选，排序和高效渲染，OSG场景图形提供3个遍历过程:

更新:更新遍历允许修改几何体、渲染状态，或者节点参数，保证场景图形的更新对应当前帧；

拣选:在拣选遍历中检查可见性，将几何体和状态量置入新的结构（在OSG中称为渲染图形，render graph）之中。

绘制:在绘制遍历中（有时也称作渲染遍历），场景图形将遍历由拣选遍历过程生成的几何体列表，并调用底层API，实现几何体的渲染。

一般地，这3种遍历操作在每一个渲染帧中只执行一次，但有时一些渲染特例需要将同一个场景（不同或相同部分）在多个视口中进行同步显示，这样更新遍历仍然只执行一次，但拣选和绘制遍历则需要在每个视口内各执行一次，以保证多处理器和多显卡的系统实现并行场景图形处理。

2.3 智能指针

在OSG中，智能指针（Smart pointer）的概念指的是一种类的模板，它针对某一特定类型的对象（即Referenced类及其派生类）构建，提供了了一种内存自动释放的机制，即，场景图形中的每一个节点均关联一个内存计数器，当计数器的计数减到零时，该对象将被自动释放。

由于OSG中与场景图形有关的大多数类均派生自Referenced类，因此OSG大量使用了智能指针来实现场景图形节点的管理。当用户希望释放整个场景图形的节点时，只需要删除根节点，则根节点以下的所有分支节点均会被自动删除，从而避免内存泄漏错误。

3 基于OSG的三维引擎关键技术

3.1 将OSG嵌入MFC

OSG不能直接嵌入MFC窗口，要用摄像机类来支持。OSG使用第三方的Producer接口来实现MFC方面的GUI。

Producer接口提供有Camera类，它的原理，如图3所示:

图3 osgProducer接口实现嵌入图

Render Surface是Camera的一个成员对象，它相当于计算机的屏幕。摄像机拍到的影像就投放在该面的投影矩阵上。要将OSG窗口嵌入到MFC中，也同样用Render Surface来设置。使用Camera对象的getRenderSurface()方法可以获取到Render Surface，并返回一个RenderSurface*的对象指针。在OSG中如果该对象是引用类派生出来，则可以使用osg::ref_ptr<>模版类来创建一个智能指针对象。

新版的OSG中，已经取消了关于Producer接口的应用，但在实现将OSG窗口嵌入到MFC过程中，用到的原理是相似的，只是更加简单的通过一个自己定义的类cOSG来实现。实现过程如下:

（1）初始化操作器

由void cOSG::InitManipulators(void)实现，具体过程是首先创建一个trackball的控制器驱动，并设置它的高度。再创建一个控制器转换器，之后将trackball的控制器添加到转换控制器中，初始化转换器，在这个程序中选择用第一个模式的控制器，值为0。

（2）初始化场景图

由void cOSG::InitSceneGraph(void)实现，具体过程是首先初始化主要的节点，组，之后完善模型，再将模型添加到场景中。

（3）初始化摄像机

由void cOSG::InitCameraConfig(void)实现，具体过程是首先获取本地的窗口大小矩阵，创建windows的视图，之后在视图中添加一个事件处理控制。然后获取对话框的宽高，利用智能指针初始化GraphicsContext Traits。再引用窗口句柄获取MFC窗口，并设置窗口大小。利用Traits设置视图矩阵，设置窗口场景，把OSG窗口绑定到viewer中。创建场景上下文，设置画图属性。

（4）配置摄像机

初始化一个新的摄像机对象，为摄像机定义场景上下文，设置视口接口。然后将摄像机添加到视图中，将摄像机的控制器加到视图中。

3.2 摄像机控制

OSG的摄像机操作，由osgGA::MatrixManipulator的派生类来完成。要实现摄像机控制，关键是实现osgGA::MatrixManipulator类的以下5个纯虚函数:

（1）virtual void setByMatrix(const osg::Matrixd&matrix);

这个函数在从一个摄像机切换到另一个摄像机时调用，用来把上一个摄像机的视图矩阵传过来，这样就可依此设定自己的初始位置了。重载setByMatrix函数实现过程:

void CMyManipulator::setByMatrix(const osg::Matrixd&matrix)

{//设置摄像机初始位置

_eye=matrix.getTrans();

_rotation=matrix.getRotate();

}

（2）virtual osg::Matrixd getMatrix()const;

SetByMatrix方法需要的矩阵需要用这个方法得到，用来向下一个摄像机传递矩阵。重载getMatrix函数实现过程:

osg::Matrixd CMyManipulator::getMatrix()const

{

return

osg::Matrixd::rotate(_pitch,1.0,0.0,0.0)*osg::Matrixd::rotate(_r otation)*osg::Matrixd::translate(_eye);

}

（3）virtual osg::Matrixd getInverseMatrix()const;

这个是最重要的方法，在每帧中都会被调用，它返回当前的视图矩阵。重载getInverseMatrix函数实现过程:

osg::Matrixd CMyManipulator::

getInverseMatrix()const

{

return

osg::Matrixd::translate(-_eye)*osg::Matrixd::rotate(_rotation.in verse())*osg::Matrixd::rotate(-_pitch,1.0,0.0,0.0);}

其中osg::Matrixd::translate(-_eye)表示平移矩阵，Matrixd::rotate(_rotation.inverse())表示水平旋转矩阵，Matrixd::rotate(-_pitch,1.0,0.0,0.0)表示竖直旋转矩阵。

（4）virtual void setByInverseMatrix(const osg::Matrixd&matrix);

这个方法是当在外部直接调用Viewer的setViewByMatrix方法时，把设置的矩阵传过来，让摄像机记录新更改的位置，本系统中不需要实现。

（5）virtual bool handle(const osg-GA::GUIEventAdapter&ea,osgGA::GUIActionAdapter&us)

这个方法是进行事件的处理，方法中第一个参数是GUI事件的供给者，第二个参数用来使handle方法对GUI进行反馈，它可以让GUIEventHandler根据输入事件让GUI执行一些动作。如果要进行事件处理，可以从GUIEventHandler派生出自己的类，然后覆盖handle方法，在其中进行事件处理。osgProducer::Viewer类维护一个GUIEventHandler队列，事件在这个队列里依次传递，handle的返回值决定这个事件是否继续让后面的GUIEventHandler处理，如果返回true，则停止处理，如果返回false，后面的GUIEventHandler还有机会继续对这个事件进行响应。重载handle函数实现键盘上的方向键控制摄像机视口，效果如图4所示:

图4 方向键控制摄像机视口的效果

bool handle(

const osgGA::GUIEventAdapter&ea,

osgGA::GUIActionAdapter&us)

{

case(GUIEventAdapter::KEYDOWN/KEYUP):

{

if(ea.getKey()=GUIEventAdapter::KEY_Space)

{//返回初始位置

flushMouseEventStack();

home(ea,us);

return true;}

//实现上，下，左，右方向键控制视口

else if

(ea.getKey()=osgGA::GUIEventAdapter::KEY_Up)

{return true;}

else if

(ea.getKey()=osgGA::GUIEventAdapter::KEY_Down)

{return true;}

else if

(ea.getKey()=osgGA::GUIEventAdapter::KEY_Left)

{return true;}

else if

(ea.getKey()=osgGA::GUIEventAdapter::KEY_Right)

{return true;}}

3.3 碰撞检测

在虚拟环境中，由于用户的交互和物体的运动，不可避免会发生碰撞，为避免穿透现象的发生，系统必须进行碰撞检测，并计算相应的碰撞反应，更新绘制结果。OSG中提供了osg::LineSegmen,用于表示一个包含一个起点和一个终点的线段类;osgUtil::Int ersectVisiotr是一个接受线段的类,用于判别与节点的交集,其中的函数addLineSegment(line.get())用来添加一条线段到列表当中;osgUt il::IntersectVisitor::HitList可以得到相交点的具体位置,从而计算出距离。本系统中采用基于视点向前线段探测的碰撞检测方法,用OSG实现算法的代码:

//定义一个交集访问器对象

osgUtil::IntersectVisitor iv;

iv.setTraversalMask(_intersectTraversalMask);

//创建线段

osg::ref_ptrsegForward=new osg::LineSegment;

//设置线段起点和终点

segForward->set(_eye,_eye+lv*(signedBuffer+distanceToMove));

//将线段添加到交集访问器中

iv.addLineSegment(segForward.get());

//将场景中节点与交集访问器绑定

_node->accept(iv);

//线段与节点如果相交，则发生碰撞，同时创建碰撞列表