自定义一个简单的操控器类

news2024/11/19 18:47:14

目录

1. 前言

2. 操控器需求

3. 功能实现

3.1. 预备知识

3.2. 代码实现

3.3. 代码难点说明

1. 前言

       osg已经自己实现了很多操控器类，这些操控器类存放在osg源码目录下的src\osgGA目录。感兴趣的童鞋，可以自己去研究源码。下面两篇博文是我研究osg的键盘切换操控器和动画路径操控器之后写的，感兴趣的可以参考学习：

  • osg操控器之键盘切换操控器osgGA::KeySwitchMatrixManipulator。
  • osg操控器之动画路径操控器osgGA::AnimationPathManipulator分析。

        虽然说osg实现了很多常用的操控器类，但现实中的业务需求是各种各样的，当osg自己实现的操控器不能满足平时的业务需求时，就需要自己开发操控器，本博文通过实现一个简单的操控器，来说明如何定制开发自己的操控器类。

2. 操控器需求

        

 图1

       如上图，实现一个网格，网格在X、Y轴范围为[-5, 5],单元格的长宽都为0.5，网格颜色为白色，坐标轴位于(0, 0, 0)处，实现一个操控器，操控器功能必须满足如下要求：

  • 按住键盘←键，能逆时针转动整个网格。
  • 按住键盘→键，能顺时针转动整个网格。
  • 起始时视点位于(0, -15, 15)处。
  • 当鼠标滚轮朝向人的方向转动时，此时网格变大。
  • 当鼠标滚轮背向人的方向转动，此时网格变小。
  • 按住空格键，网格回到原始状态。

即操控器要能实现如下效果：

图2 

3. 功能实现

3.1. 预备知识

       三维场景中的操控器都有一个共同特点，即它们都采用实时修正观察矩阵(也就是观察者的观察位置和姿态)的方式实现平滑导航浏览。而此处又有一个重要的结论：相机在世界坐标中的位置姿态矩阵，等于观察者的观察位置和姿态的逆矩阵。假设相机在世界坐标系中的位置姿态矩阵为M，观察者在世界坐标系中的观察位置和姿态矩阵为V，则有：                 

                                    M = V的逆

根据物理学相对性原理很好理解这种互逆关系，相机向前(左）运动等同于观察点向后(右)运动，反之亦然。关于这一结论更详细的描述，请参见：浅谈在操控器类中，为何要通过osgGA::CameraManipulator的逆矩阵改变视点位置博文。 

       osg提供了操控器类的基类CameraManipulator，该基类定义了实现操控器的所有接口。如果要定制自己的操控器类，则必须根据自己的需求，重写CameraManipulator类的Virtual开头的函数。CameraManipulator存放在osg源码目录下的include\osgGA目录。

       关于场景（本例是指网格）的拉近拉远，参见：osg下如何将物体拉近拉远博文。

3.2. 代码实现

           main.cpp文件如下：

#include<osgViewer/Viewer>
#include<osgDB/readFile>
#include<osgDB/writeFile>
#include<osgDB/FileUtils>
#include "mySimpleManipulator.h"

// 创建地板网格
osg::Geode* createFloorGrid()
{
    auto pGeode = new osg::Geode;
    auto pQuardGeomery = new osg::Geometry();
    pGeode->addDrawable(pQuardGeomery);

    auto pCoordArray = new osg::Vec3dArray;

    for (auto yIndex = -5.0; yIndex <= 5.0; yIndex += 0.5)
    {
        pCoordArray->push_back(osg::Vec3d(-5.0, yIndex, 0.0));
        pCoordArray->push_back(osg::Vec3d(5.0, yIndex, 0.0));
    }

    for (auto xIndex = -5.0; xIndex <= 5.0; xIndex += 0.5)
    {
        pCoordArray->push_back(osg::Vec3d(xIndex, -5.0, 0.0));
        pCoordArray->push_back(osg::Vec3d(xIndex, 5.0, 0.0));
    }
  
    pQuardGeomery->setVertexArray(pCoordArray);
    
    // 使格子线颜色为白色
    auto pColorArray = new osg::Vec4Array;
    pColorArray->push_back(osg::Vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0));
    pQuardGeomery->setColorArray(pColorArray, osg::Array::Binding::BIND_OVERALL);

    auto pNormalArray = new osg::Vec3Array();
    pNormalArray->push_back(osg::Vec3(0, 0, 1));
    pQuardGeomery->setNormalArray(pNormalArray, osg::Array::Binding::BIND_OVERALL);

    auto iVertSize = pCoordArray->size();
    osg::DrawElementsUShort* pElementsUShort{nullptr};
    for (auto i = 0; i < iVertSize; ++i)
    {
        if (0 == (i % 2))
        {
            pElementsUShort = new osg::DrawElementsUShort(GL_LINES);
            pQuardGeomery->addPrimitiveSet(pElementsUShort);
        }

        pElementsUShort->push_back(i);
    }

    return pGeode;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    osgViewer::Viewer viewer;
    auto pAxis = osgDB::readRefNodeFile(R"(E:\osg\OpenSceneGraph-Data\axes.osgt)");
    if (nullptr == pAxis)
    {
        OSG_WARN << "axes node is nullpr!";
        return 1;
    }

    auto pRoot = new osg::Group();
    pRoot->addChild(pAxis);
    viewer.setSceneData(pRoot);

    auto pFloorGrid = createFloorGrid();
    pRoot->addChild(pFloorGrid);

    // 创建一个自定义的操控器对象
    auto pMySimpleManipulator = new CMySimpleManipulator();
    pMySimpleManipulator->setNode(pRoot);
    viewer.setCameraManipulator(pMySimpleManipulator);

    // 设置相机位置，注意：最开始时相机和观察点是重合的
    pMySimpleManipulator->setHomePosition(osg::Vec3d(0.0, -15.0, 15.0), osg::Vec3d(0.0, 0.0, 0.0), osg::Vec3(0, 0, 1));
    
    viewer.run();
}

 mySimpleManipulator.h文件如下：

#pragma once
#include<osgGA/CameraManipulator>
using namespace osgGA;
class CMySimpleManipulator :
    public CameraManipulator
{
public:
    CMySimpleManipulator();
    ~CMySimpleManipulator();
public:

    /** set the position of the matrix manipulator using a 4x4 Matrix.*/
    virtual void setByMatrix(const osg::Matrixd& matrix) override;

    /** set the position of the matrix manipulator using a 4x4 Matrix.*/
    virtual void setByInverseMatrix(const osg::Matrixd& matrix) override;

    /** get the position of the manipulator as 4x4 Matrix.*/
    virtual osg::Matrixd getMatrix() const override;

    /** get the position of the manipulator as a inverse matrix of the manipulator, typically used as a model view matrix.*/
    virtual osg::Matrixd getInverseMatrix() const override;

    /** Handle events, return true if handled, false otherwise. */
    virtual bool handle(const GUIEventAdapter& ea, GUIActionAdapter& us) override;

    /**
        Move the camera to the default position.
        May be ignored by manipulators if home functionality is not appropriate.
        */
    virtual void home(const GUIEventAdapter&, GUIActionAdapter&) override;

    /** Manually set the home position, and set the automatic compute of home position. */
    virtual void setHomePosition(const osg::Vec3d& eye, 
                                 const osg::Vec3d& center, 
                                 const osg::Vec3d& up, 
                                 bool autoComputeHomePosition = false) override;
    
    
    virtual void setNode(osg::Node*) override;

private:

    void setTransformation(const osg::Vec3d& eye, const osg::Vec3d& center, const osg::Vec3d& up);

    // 更新观察点位置
    void updateEyePos(const GUIEventAdapter& ea, GUIActionAdapter& us);
private:
    osg::ref_ptr<osg::Node> _spNode;
    osg::Vec3d _center;
    double _distance;
    osg::Quat _rotation;
    float _rotateZAngle{0};
    osg::Vec3d _initEye;
    float _sina{0.0};
    float _cosa{ 0.0 };
};

mySimpleManipulator.cpp文件如下：

#include "mySimpleManipulator.h"
#include<osgViewer/Viewer>
#include<iostream>
//#include <math.h>
CMySimpleManipulator::CMySimpleManipulator()
{
	
}
CMySimpleManipulator::~CMySimpleManipulator()
{

}

/** set the position of the matrix manipulator using a 4x4 Matrix.*/
void CMySimpleManipulator::setByMatrix(const osg::Matrixd& matrix)
{
	
}

/** set the position of the matrix manipulator using a 4x4 Matrix.*/
void CMySimpleManipulator::setByInverseMatrix(const osg::Matrixd& matrix)
{

}

/** get the position of the manipulator as 4x4 Matrix.*/
osg::Matrixd CMySimpleManipulator::getMatrix() const
{
    return osg::Matrixd::translate(0., 0., _distance) *
        osg::Matrixd::rotate(_rotation) *
        osg::Matrixd::translate(_center);
}

/** get the position of the manipulator as a inverse matrix of the manipulator, typically used as a model view matrix.*/
osg::Matrixd CMySimpleManipulator::getInverseMatrix() const
{
    return osg::Matrixd::translate(-_center) *
        osg::Matrixd::rotate(_rotation.inverse()) *
        osg::Matrixd::translate(0.0, 0.0, -_distance);
}
 
/** Handle events, return true if handled, false otherwise. */
bool CMySimpleManipulator::handle(const GUIEventAdapter& ea, GUIActionAdapter& us)
{
    auto pViewer = (osgViewer::Viewer*)(&us);
    switch (ea.getEventType())
    {
        case GUIEventAdapter::KEYDOWN:
        {
            int nKeyCode = ea.getKey();
            if (GUIEventAdapter::KEY_Left == nKeyCode)
            {
                _rotateZAngle += 1.0;
                updateEyePos(ea, us);
            }
            else if (GUIEventAdapter::KEY_Right == nKeyCode)
            {
                _rotateZAngle -= 1.0;
                updateEyePos(ea, us);
            }
            else if (GUIEventAdapter::KEY_Space == nKeyCode)
            {
                _homeEye = _initEye;
                _rotateZAngle = 0.0;
                home(ea, us);
            }
        }
        break;
        case GUIEventAdapter::SCROLL:
        {
            auto center = _spNode->getBound().center();
            auto scrollingMotion = ea.getScrollingMotion();
            auto scrollingIsMotion = false;
            if (GUIEventAdapter::SCROLL_DOWN == scrollingMotion) // 滚轮朝向人的方向转动
            {
                if (3 < _distance) // 防止拉得过近
                {
                    scrollingIsMotion = true;
                    _distance -= 0.5;
                }
            }
            else if (GUIEventAdapter::SCROLL_UP == scrollingMotion)// 滚轮背向人的方向转动
            {
                if (_distance < 50) // 防止拉得过远
                {
                    scrollingIsMotion = true;
                    _distance += 0.5;
                }
            }

            if (scrollingIsMotion)
            {
                _homeEye = center + osg::Vec3d(0, 0, 1) * _distance;
                pViewer->getCamera()->setViewMatrixAsLookAt(_homeEye, center, osg::Vec3(0, 0, 1));
            }

            pViewer->requiresRedraw();
            pViewer->requestContinuousUpdate(false);
        }
    } // end switch

	return CameraManipulator::handle(ea, us);
}

// 更新观察点位置
void CMySimpleManipulator::updateEyePos(const GUIEventAdapter& ea, GUIActionAdapter& us)
{
    _homeEye.z() = _distance * _sina;
    auto temp = _distance * _cosa;
    auto radians = osg::DegreesToRadians(_rotateZAngle);
    _homeEye.y() = -temp * std::cos(radians);
    _homeEye.x() = -temp * std::sin(radians);

    home(ea, us);
}

void CMySimpleManipulator::setHomePosition( const osg::Vec3d& eye,
                                            const osg::Vec3d& center,
                                            const osg::Vec3d& up,
                                            bool autoComputeHomePosition /*= false*/)
{
    _homeEye = eye;
    _homeCenter = center;
    _homeUp = up;

    // 记录观察点初始位置，以便等下按空格键能重置会初始位姿
    _initEye = _homeEye;  

    // 计算观察点即眼睛和物体中心即(0, 0, 0)点连线和Y轴负半轴的夹角的正弦值、余弦值
    auto angle = std::atan2(std::fabs(eye.z()) / std::fabs(eye.y()), 1.0);
    _sina = std::sinf(angle);
    _cosa = std::cosf(angle);
}

void CMySimpleManipulator::home(const GUIEventAdapter&ea, GUIActionAdapter&aa)
{
	setTransformation(_homeEye, _homeCenter, _homeUp);

	auto pViewer = (osgViewer::Viewer*)(&aa);
	pViewer->requiresRedraw();
	pViewer->requestContinuousUpdate(false);
}

void CMySimpleManipulator::setNode(osg::Node*pNode)
{
	_spNode = pNode;
}

void CMySimpleManipulator::setTransformation(const osg::Vec3d& eye, const osg::Vec3d& center, const osg::Vec3d& up)
{
    osg::Vec3d lv(center - eye); // 相机指向物体中心(这里指世界坐标系中的原点)的向量

    osg::Vec3d f(lv);
    f.normalize();// 相机指向物体中心方向

    // 计算相机其它两个轴的方向
    osg::Vec3d s(f ^ up);
    s.normalize();

    osg::Vec3d u(s ^ f);
    u.normalize();

    // 计算相机姿态矩阵，即旋转矩阵
    osg::Matrixd rotation_matrix(s[0], u[0], -f[0], 0.0f,
                                 s[1], u[1], -f[1], 0.0f,
                                 s[2], u[2], -f[2], 0.0f,
                                 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

    _center = center;
    _distance = lv.length(); // // 相机距离物体中心(这里指世界坐标系中的原点)的距离
    _rotation = rotation_matrix.getRotate().inverse(); // 相机的位置姿态矩阵的逆是观察点位置姿态矩阵

}

3.3. 代码难点说明

          调用操控器的home函数后，相机将回到程序设置的相机初始位置，即调用操控器类的setHomePosition函数设置的位置。在home函数中调用setTransformation函数来计算相机的姿态矩阵，即朝向，也即旋转矩阵。因为观察点矩阵和相机矩阵互逆，所以可以根据互逆关系求出观察点矩阵。最开始时观察点和相机处于世界坐标系下的同一位置。观察点矩阵是通过操控器类的如下函数获取的:

/** get the position of the manipulator as 4x4 Matrix.*/
osg::Matrixd CMySimpleManipulator::getMatrix() const
{
    return osg::Matrixd::translate(0., 0., _distance) *
        osg::Matrixd::rotate(_rotation) *
        osg::Matrixd::translate(_center);
}

由线性代数矩阵方面的知识，我们知道：矩阵乘积的逆等于矩阵的逆的相反顺序的程序，即满足如下公式：

图3 

所以将getMatrix函数中矩阵乘积求逆即为如下函数（注意：对于平移来说，直接将平移向量中的各个分量分别取反就取逆；对于矩阵来说就是取逆矩阵）：

/** get the position of the manipulator as a inverse matrix of the manipulator, typically used as a model view matrix.*/
osg::Matrixd CMySimpleManipulator::getInverseMatrix() const
{
    return osg::Matrixd::translate(-_center) *
        osg::Matrixd::rotate(_rotation.inverse()) *
        osg::Matrixd::translate(0.0, 0.0, -_distance);
}

而getInverseMatrix函数的返回值即为相机矩阵。当按住键盘←、→键或滚动鼠标滚轮，改变观察点位置和姿态时，需要将相机矩阵返回到外层。在viewer.cpp第1212行附近的更新阶段void Viewer::updateTraversal()中，会调用如下：

_cameraManipulator->updateCamera(*_camera);

来更新相机位姿，其中_cameraManipulator为操控器类对象，也即main.cpp中的pMySimpleManipulator对象。上面代码的updateCamera函数在操控器基类CameraManipulator定义如下：

 /** update the camera for the current frame, typically called by the viewer classes.
            Default implementation simply set the camera view matrix. */
        virtual void updateCamera(osg::Camera& camera) { camera.setViewMatrix(getInverseMatrix()); }

即相机的位姿更新就在该处实现的，即前文说的操控器类将相机矩阵即getInverseMatrix()函数返回值返回到外层了。

       代码中重写了setHomePosition函数，在该函数中算出了观察点和物体中心即(0, 0, 0)点连线与Y轴负半轴夹角的正弦值、余弦值，便于后面按下←、→键时实时更新观察点坐标。在转动网格时，始终保持观察点和物体中心即(0, 0, 0)点连线与网格所在平面夹角不变。       

     updateEyePos函数实时更新观察点坐标，需要说明的是：_rotateZAngle的0°位置和Y轴负半轴重合，由Y轴负半轴非0的某个点指向坐标原点(0, 0, 0)，逆时针时，_rotateZAngle增加1°；顺时针时，_rotateZAngle减小1°。

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