OSG的視景漫游技術研究

祝新霞，馬明棟

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003； 2.南京郵電大學 地理與生物信息學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

現(xiàn)如今,虛擬現(xiàn)實已滲透到人們生活的方方面面[1]。它被認為是一種先進的科學技術，相較于傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作。人們采用一種全新的方式，即通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互，極大地促進了虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展[2]，廣泛應用于科學計算可視化、城市規(guī)劃、建筑設計、廣告宣傳、醫(yī)療、場景仿真等領域[3]。場景漫游是虛擬現(xiàn)實的一個重要應用部分,具有人機實時交互特性，可以在虛擬場景中自由行走，不受時間和空間的限制，實現(xiàn)真正意義上的交互，給人以身臨其境的感覺。

文中采用OpenSceneGraph三維圖形引擎實現(xiàn)了一個虛擬校園場景漫游系統(tǒng),同時研究了漫游過程中的碰撞檢測技術。該系統(tǒng)的實現(xiàn)和設計充分體現(xiàn)了OSG在主流三維仿真平臺的優(yōu)勢和潛力,其開源、面向?qū)ο蟮膬?yōu)點,可以加快開發(fā)過程，提高渲染效率。

1 OSG(OpenSceneGraph)簡介

OSG具有支持大規(guī)模場景的分頁、粒子系統(tǒng)與陰影、多線程、多顯示的渲染，以及支持各種文件格式等特性[4]。OSG是一個高性能的開源的跨平臺的圖形開發(fā)三維引擎，諸如飛行器仿真、虛擬現(xiàn)實、科學計算可視化等高性能圖形應用程序的開發(fā)，就是利用OSG設計實現(xiàn)的[5]。OSG結合Visual C++開發(fā)，其基于場景圖的概念，為圖形程序的開發(fā)提供場景管理和渲染優(yōu)化功能，同時OSG是一個基于OpenGL函數(shù)庫的面向?qū)ο罂蚣?，促使開發(fā)者從實現(xiàn)和優(yōu)化底層圖形的調(diào)用功能的實現(xiàn)中解放出來，為快速開發(fā)圖形應用程序提供了許多附加的實用工具。

1.1 OSG特點

(1)開源。

OSG跟目前市面上一些商業(yè)化的三維圖形引擎不同，它的所有源碼都是遵循OSGPL開源協(xié)議開發(fā)，基于OSG的程序和軟件的使用與發(fā)布無需額外費用。

(2)源碼質(zhì)量高。

基于OSG的開源特點，它的源碼歷經(jīng)了無數(shù)優(yōu)秀開發(fā)人員的測試和修改，其程序架構和執(zhí)行效率都有較好的提升。

(3)跨平臺操作。

OSG支持的操作平臺包括Windows、UNIX、Linux、MacOSX、IRIX、Solaris等多種操作系統(tǒng)，可以跨平臺操作，具有較強的可移植性。

(4)可擴展性強。

OSG提升了強大的可擴展能力，其支持節(jié)點擴展、屬性渲染、回調(diào)和交互事件，并支持第三方插件。

1.2 OSG核心庫

OSG核心庫(core library)是OSG存在的基礎，核心場景數(shù)據(jù)庫和操作場景圖形的組織和管理都是由OSG核心庫完成的，并且為導入外部數(shù)據(jù)庫提供接口[6]。OSG核心庫主要由以下五個庫構成：

osg庫：作為最基本數(shù)據(jù)庫，提供基本場景圖形構建場景圖節(jié)點類、幾何體類，用作向量和矩陣運算類。

osgUtil庫：又叫工具庫，提供了通用的公用類，用于場景圖及內(nèi)容操作，統(tǒng)計和優(yōu)化場景圖形數(shù)據(jù)，以及渲染器的創(chuàng)建。

osgDB庫：讀寫數(shù)據(jù)庫，也是一個文件工具類，提供場景中讀寫數(shù)據(jù)的工作。通過遍歷場景圖層次結構以完成數(shù)據(jù)處理工作，實現(xiàn)場景圖管理。

osgViewer庫：管理視窗庫，提供場景中視口及可視化內(nèi)容的管理，有利于OSG與各種GUI結合。

osgGA庫：用于改寫界面事件。

2 OSG的基本理論

2.1 場景圖

場景圖是用于游戲和計算機圖形學等軟件的數(shù)據(jù)結構設計方法，即在抽象的場景中繪制元素組織結構、相互關系[7]。實際上大規(guī)模管理場景圖形通常使用樹結構或圖結構組成一組節(jié)點集。當前大多數(shù)渲染引擎組織其空間數(shù)據(jù)集皆采用自頂向下且分層的樹狀結構，以提高渲染效率。例如渲染場景中包含一輛卡車和一條路況順暢的馬路，由于場景圖的節(jié)點不代表幾何關系，可申請一個節(jié)點用來表示移動,如圖1所示。

圖1 場景圖

根節(jié)點一般處于場景圖結構的頂部，由根節(jié)點延伸至各組節(jié)點，各自的幾何信息以及用來控制其外觀的渲染狀態(tài)信息均包含在組節(jié)點中。這些節(jié)點皆可沒有或含有多個子成員。場景圖的底端展示了組成場景中各個葉節(jié)點的物體實際信息。圖2表示典型的場景圖樹型結構的組織方式。

圖2 典型場景圖樹型結構

整個三維場景結構可以由根節(jié)點表示，物體狀態(tài)切換、矩陣變換、細節(jié)層次等屬性信息可由根節(jié)點延伸的組節(jié)點表示；管理屬性信息的開關節(jié)點(osg::Switch)、變換節(jié)點(osg::Transform)、細節(jié)層次節(jié)點(osg::LOD)等是由組節(jié)點派生出來的；葉子節(jié)點(osg::Geode)反映場景空間結構和對象狀態(tài)，數(shù)據(jù)節(jié)點之間共有行為和屬性一般通過葉子節(jié)點提取[8]。

場景圖形結構是建在底層API函數(shù)之上的，它為3D程序提供了所需的空間數(shù)據(jù)組織能力及其他特性。OSG程序?qū)哟谓Y構如圖3所示。

圖3 典型OSG程序結構層次模型

2.2 場景圖的渲染機制

三維場景處于漫游系統(tǒng)中時被認為是靜止的。在實際設計時，使用相機從場景的不同位置和不同角度去觀察，然后把相機從不同位置和不同角度拍攝到的“場景”輸出到屏幕，就完成了虛擬場景漫游效果[9]。三維圖像顯示過程如圖4所示。

圖4 三維圖像顯示流程

3 視景漫游實現(xiàn)

3.1 漫游器概述

人們通常是通過眼睛來觀察事物的，當視點發(fā)生移動時，周圍的景物相對于視點在做反向移動，該過程反應到大腦，在大腦中形成場景漫游效果。漫游功能實現(xiàn)在于漫游器的選擇。在OpenSceneGraph中，既可用默認漫游器，也可使用自定義的漫游器。

Viewer是場景的核心管理器，即漫游器。在漫游過程中必須根據(jù)響應事件的類osgGA::GUIEventHandler來響應操作。Viewer通過實時修正場景相機(Camera類)的觀察矩陣(代表觀察者位置和姿態(tài)的矩陣)方法來實現(xiàn)平滑的場景瀏覽效果[10]，因此自定義漫游器就是設置相機觀察矩陣的過程。osgGA::CameraManipulator類由osgGA::GUIEventHandler類派生而來，Viewer可以通過設置矩陣的公共接口和響應得到有效控制。一般的場景操作如圖5所示。

圖5 一般的場景操作

3.2 照相機控制

矩陣為OSG提供了一個通用模型。在OSG中，不僅所有視圖矩陣操作是通過矩陣完成，而且不同相機間的交互也是通過矩陣完成[11]。OSG osgGA::CameraManipulator的派生類用來實現(xiàn)OSG的相機操作功能，而控制相機的關鍵是實現(xiàn)osgGA::CameraManipulator類的4個純虛函數(shù)：

將水熱預處理后的微藻生物質(zhì)離心15 min，離心機轉(zhuǎn)速為 5 000 r·min-1（RCF=5 000×g），取離心后的固體物質(zhì)用于DSC的實驗分析。

virtual voidsetByMatrix(const osg::Matrixd & matrix){} /*設置相機的觀察矩陣*/

virtual voidsetByInverseMatrix(const osg::Matrixd& matrix){} /*設置相機的視圖矩陣*/

virtualosg::Matrixd getMatrix() const {} /*獲取相機的觀察矩陣*/

virtualosg::Matrixd getInverseMatrix() const{}/*獲取相機的視圖矩陣*/

調(diào)用getMatrix來獲得SetByMatrix函數(shù)所需的矩陣，實現(xiàn)向下一個照相機傳遞矩陣。當從一個相機切換到另一個相機時調(diào)用setByMatrix函數(shù),將上一個相機的視圖矩陣傳過來,據(jù)此設置相機的初始位置。

getInverseMatrix是變換矩陣的逆矩陣，它會在更新遍歷中被場景相機調(diào)用，返回當前的視圖矩陣。利用這個方法對時間進行處理，可以改變場景狀態(tài)，進而在調(diào)用getInverseMatrix矩陣時，改變場景內(nèi)相機的位置情況[12]。這個函數(shù)在void Viewer::updateTraversal()中被調(diào)用。

_camera->setViewMatrix(_cameraManipulator->getInverseMatrix())；

另外，handle作為主要控制器函數(shù)也是必須的。

virtualbool handle(const osgGA::GUIEvent Adapter & ea,osgGA::GUIActionAdapter& us)；

handle方法含有兩個參數(shù)，分別是GUI事件的提供者和對GUI進行反饋，可以讓GUIEventHandler根據(jù)輸入事件操作GUI。若要對事件進行處理，可由GUIEventHandler繼承得到自己的類，然后將handle方法覆蓋，在繼承的類中對事件進行處理。osgProducer::Viewer類維護一個GUIEventHandler隊列，在該隊列里事件依次傳遞，handle函數(shù)返回值決定此事件是否繼續(xù)讓GUIEventHandler處理，若返回true，停止事件處理；否則GUIEventHandler繼續(xù)對該事件進行處理[13]。圖6為實現(xiàn)方向鍵控制相機視口的效果圖。

4 碰撞檢測研究

4.1 基本理論

碰撞問題是由用戶的交互和物體的運動產(chǎn)生的。實時檢測物體的碰撞并計算出相應的碰撞反應，更新顯示結果來避免發(fā)生與現(xiàn)實情景不符的穿透現(xiàn)象[14]。

圖6 方向鍵控制相機視口的效果圖

處理碰撞檢測的方法有兩種：一是求交器檢測法，二是包圍盒檢測法。求交器檢測法是將遍歷器綁上求交器，以實現(xiàn)整個場景的求交過程。常用的有直線求交器和多邊形求交器。因為直線求交器只檢測直線與多邊形的碰撞事件，故多用于判斷鼠標點擊事件。該系統(tǒng)要實現(xiàn)既定功能，應使用多邊形求交器。設置初始值時需同時設置被檢測的多邊形，若此多邊形每幀發(fā)生變化，則每幀都需重新設定多邊形求交器的參數(shù)，就是polytope類型變量，以指定多邊形網(wǎng)格。這一過程消耗時間較長，又因其默認位置為坐標原點，所以需要獲取真實的世界坐標。

OSG中包圍盒檢測方法也有兩種，分別是用getBound()函數(shù)返回的球形包圍盒和用getBoundingBox()函數(shù)返回的立方體包圍盒。getBoundingBox()的函數(shù)唯獨Drawable節(jié)點含有，但所有Node節(jié)點卻皆含getBound()函數(shù)，故MatrixTransform節(jié)點的getBound()函數(shù)包含位置旋轉(zhuǎn)信息。因為MatrixTransform節(jié)點掛載實體節(jié)點，所以只能使用球體包圍盒方法。但球體包圍盒的缺點是范圍不準確,因此得到的數(shù)據(jù)可能比實際物體稍微大一點兒。

4.2 系統(tǒng)中實現(xiàn)方法

該系統(tǒng)采用直線求交器檢測方法。osg::LineSegment為線段類，表示一個起點和終點構成一條線段，如：osg::ref_ptr line=new osg::LineSegment(newPos,m_vPosition)。與節(jié)點的交集接受線段的類是通過osgUtil::IntersectVisitor進行判別的，添加一條線段到列表可以通過語句iv.addLineSegment (line.get())實現(xiàn)。若要將線段隊列加入到場景中需要借助語句node->accept(iv)。iv.hits()函數(shù)可對物體是否發(fā)生碰撞進行辨別，返回TRUE代表物體發(fā)生碰撞，返回FALSE代表物體未發(fā)生碰撞。計算距離需要確定相交節(jié)點的具體位置，獲得相交節(jié)點的具體位置通過語句osgUtil::IntersectVisitor::HitList hlist實現(xiàn)。驗證碰撞檢測算法的前后效果如圖7所示。

5 結束語

在虛擬場景中，加快顯示畫面的速度可通過有效管理和組織虛擬場景，提高場景漫游效率來實現(xiàn)。OSG可以非常簡單方便地對虛擬場景進行管理和漫游，是目前技術較先進和性能較好的虛擬現(xiàn)實開發(fā)包。文中通過實踐場景漫游的過程，驗證了OSG對虛擬場景的漫游原理和發(fā)生碰撞時的檢測方法，為以后在工程實踐的應用提供了重要的參考依據(jù)。

圖7 碰撞檢測前后效果圖

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