浅谈OSG的默认视点方向

news2024/11/28 0:41:29

目录

1. 前言

2. OPenGL坐标系和OSG坐标系

3. 默认视点有关的几个案例

4. 视点操作

4.1. 视点调整

4.2. 左右转动

4.3. 向前走

5. 总结

6. 参考资料

1. 前言

       在OSG开发中，对视点的理解透彻是必须可少的，特别是在进行自定义操控器类的开发中，对视点的深刻理解，更是重要，否则自定义的操控器功能可能会不正常、不会按预想的那样。关于怎么编写自定义操控器，可参考：自定义一个简单的操控器类。

        默认视点方向为何如此重要？因为旋绕、移动操作最开始是建立在默认视点基础上，即以默认视点为基础进行旋转、移动，从而在视觉上让人觉得场景在变化。如果默认视点方向理解错了，则后续的旋绕、移动操作都是错的，从而导致场景的旋转、移动不是预想的。

2. OPenGL坐标系和OSG坐标系

     OPenGL坐标系和OSG坐标系都是右手坐标系。OPenGL坐标系如下：

图1  

  • 红色表示X轴正半轴，朝向右边。
  • 绿色表示Y轴正半轴，方向从底部垂直指向顶部。
  • 蓝色表示Z轴正半轴，方向垂直屏幕，由屏幕内部指向屏幕外部。

OSG的坐标系如下：

图2 

  • 红色表示X轴正半轴，朝向右边。
  • 绿色表示Y轴正半轴，方向指向屏幕内部。
  • 蓝色表示Z轴正半轴，方向由屏幕底部指向顶部。

可以看到OSG坐标系其实是OSG在其内核中将OPenGL坐标系绕X轴正半轴顺时针旋转了90°。

3. 默认视点有关的几个案例

案例1：

如下代码：

#include <osgDB/readFile>
#include<osgViewer/Viewer>
int main()
{
	osg::ref_ptr<osgViewer::Viewer> viewer = new osgViewer::Viewer;
	osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group;

	osg::ref_ptr<osg::Node> node = osgDB::readNodeFile("cow.osg");
	root->addChild(node);
	viewer->setSceneData(root.get());

	viewer->run();
}

代码段1 

加载了一个奶牛模型到视景器中：

图3 

注意：在用osg进行场景显示时，必须至少存在一个操控器类对象，即必须至少存在一个从osgGA::CameraManipulator派生的子类对象，且必须通过如下函数

viewer->setCameraManipulator(操控器类对象);

代码段2 

将该操控器类子对象设置到视景器中，否则osg程序就会因为没有操控器类对象而崩溃终止。读者可能会问了：上面代码没见设置操控器到视景器中啊！通过跟踪

viewer->run();

代码段3 

这句代码后到Viewer::run函数：

int Viewer::run()
{
    if (!getCameraManipulator() && getCamera()->getAllowEventFocus())
    {
        setCameraManipulator(new osgGA::TrackballManipulator());
    }

    setReleaseContextAtEndOfFrameHint(false);

    return ViewerBase::run();
}

代码段4 

才明白osg检测到外层如果没有设置操控器，则就为我们设置一个osgGA::TrackballManipulator即跟踪球操控器。正是在因为设置了跟踪球操控器，才导致程序一起来，我们就能看到奶牛位于视景器中心，视点由Y轴负半轴看向正半轴。即跟踪球操控器将默认视点方向改变为由Y轴负半轴看向正半轴。那么最开始的默认视点方向是朝向哪里？即如果不用跟踪球操控器或不人为调整默认视点方向，默认视点朝向哪个方向呢？

附：关于跟踪球操控器是如何将场景调整到视景器中心、如何调整默认视点方向的，请参考：

          osgGA::CameraManipulator类computeHomePosition函数分析博文。

案例2：

#include <osgDB/readFile>
#include<osgViewer/Viewer>
#include<osgGA/AnimationPathManipulator>
osg::Node* createBase(const osg::Vec3 center, float radius)
{
    osg::Group* root = new osg::Group;
  
    int numTilesX = 10;
    int numTilesY = 10;

    float width = 2 * radius;
    float height = 2 * radius;

    osg::Vec3 v000(center - osg::Vec3(width * 0.5f, height * 0.5f, 0.0f));
    osg::Vec3 dx(osg::Vec3(width / ((float)numTilesX), 0.0, 0.0f));
    osg::Vec3 dy(osg::Vec3(0.0f, height / ((float)numTilesY), 0.0f));

    // fill in vertices for grid, note numTilesX+1 * numTilesY+1...
    osg::Vec3Array* coords = new osg::Vec3Array;
    int iy;
    for (iy = 0; iy <= numTilesY; ++iy)
    {
        for (int ix = 0; ix <= numTilesX; ++ix)
        {
            coords->push_back(v000 + dx * (float)ix + dy * (float)iy);
        }
    }

    //Just two colours - black and white.
    osg::Vec4Array* colors = new osg::Vec4Array;
    colors->push_back(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)); // white
    colors->push_back(osg::Vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f)); // black

    osg::ref_ptr<osg::DrawElementsUShort> whitePrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);
    osg::ref_ptr<osg::DrawElementsUShort> blackPrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);

    int numIndicesPerRow = numTilesX + 1;
    for (iy = 0; iy < numTilesY; ++iy)
    {
        for (int ix = 0; ix < numTilesX; ++ix)
        {
            osg::DrawElementsUShort* primitives = ((iy + ix) % 2 == 0) ? whitePrimitives.get() : blackPrimitives.get();
            primitives->push_back(ix + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
            primitives->push_back(ix + iy * numIndicesPerRow);
            primitives->push_back((ix + 1) + iy * numIndicesPerRow);
            primitives->push_back((ix + 1) + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
        }
    }

    // set up a single normal
    osg::Vec3Array* normals = new osg::Vec3Array;
    normals->push_back(osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));

    osg::Geometry* geom = new osg::Geometry;
    geom->setVertexArray(coords);

    geom->setColorArray(colors, osg::Array::BIND_PER_PRIMITIVE_SET);

    geom->setNormalArray(normals, osg::Array::BIND_OVERALL);

    geom->addPrimitiveSet(whitePrimitives.get());
    geom->addPrimitiveSet(blackPrimitives.get());

    osg::Geode* geode = new osg::Geode;
    geode->addDrawable(geom);
    geode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);
    root->addChild(geode);

    root->addChild(osgDB::readNodeFile("axes.osgt"));

    return root;
}

int main()
{
    osgViewer::Viewer viewer;
    
    auto pAnimationPath = new osg::AnimationPath;
    osgGA::AnimationPathManipulator* apm = new 
    osgGA::AnimationPathManipulator(pAnimationPath )
    osg::Vec3d eye, center, up;
    apm->getHomePosition(eye, center, up);
    std::cout << "eye pos:" << "x: " << eye.x() << "y: " << eye.y() << "z: " << eye.z() << std::endl;
    viewer.setCameraManipulator(apm);
    viewer.setSceneData(createBase(osg::Vec3(0.0, 0.0, 0.0), 20.0));

	viewer.run();
}

代码段5 

 上面的代码，以坐标原点为中心，分别在X、Y正负轴绘制了一个10 * 10的黑白嵌套的类似棋盘的地砖，并安装了动画路径操控器（关于动画路径操控器的详细描述，请参考：osg操控器之动画路径操控器osgGA::AnimationPathManipulator分析博文），本想得到如下结果：

图4

然而得到的却是如下结果：

图5 

 这显然不是我们想要的结果。造成这种现象的原因是：没有调整视点位置和方向，程序采用的是默认视点位置和方向，即默认观察点看向的方向没有看到场景，即没看到地砖。那么最开始的默认视点方向是朝向哪里，默认视点位置位于何处？我们应该怎样调整视点位置和方向，才能看到场景地砖？

4. 视点操作

4.1. 视点调整

        从上面的打印可以看出：默认视点即_eye，其位置位于（0.0, -1.0, 0.0）处。现在首先要弄明白的是当_rotation = 0,0,0的时候，它朝哪？这是个默认朝向，然后我们根据它朝哪，我们才能做自己的操作。还是结合前面的黑白地砖例子来讲，视点默认朝向如下图：

图6 

其中红色是x轴，绿色是y轴，蓝色是z轴。可以看到_rotation = 0,0,0的时候，默认视点朝向z轴负方向，且头顶是y轴，右手是x轴。 现在要把它移向正常的朝向，期望像图4那样。对比默认朝向，只需要沿x轴正半轴顺时针旋转90度就可以了（关于顺、逆时针的旋转的具体介绍，请参考：左/右手坐标系绕不同轴顺时针旋转动不同的理解与总结）。因此我们在_rotation的时候这样定义了：

_rotation = osg::Vec3(osg::inDegrees(90.0), 0.0, 0.0);

代码段6 

理解了上面所讲的，更改代码段5中的main函数如下：

int main()
{
    osgViewer::Viewer viewer;

    osg::Quat rotate(osg::inDegrees(90.0), osg::X_AXIS);
    auto pAnimationPath = new osg::AnimationPath;
    pAnimationPath->insert(0.0, osg::AnimationPath::ControlPoint(osg::Vec3d(0.0, -18.0, 1.0), rotate));
    osgGA::AnimationPathManipulator* apm = new osgGA::AnimationPathManipulator(pAnimationPath);
    osg::Vec3d eye, center, up;
    apm->getHomePosition(eye, center, up);
    std::cout << "eye pos:" << "x: " << eye.x() << "y: " << eye.y() << "z: " << eye.z() << std::endl;
    viewer.setCameraManipulator(apm);
    viewer.setSceneData(createBase(osg::Vec3(0.0, 0.0, 0.0), 20.0));

	viewer.run();
}

代码段7 

即

  1. 先将默认视点方向绕x轴正半轴顺时针转动90°。
  2. 再将其在0s时刻即立马移动到(0.0, -18.0, 1.0)位置。

经过上述调整视点朝向和位置后，就可以看到图4的场景效果了。 

4.2. 左右转动

以下摘自杨石兴博客：

       没有什么特别的原因，旋转我们就不需要操作xy轴的旋转了，向左向右旋转在上图的基本上其实就是绕z轴旋转。这里要注意方向，比如绕z轴旋转45度，是看向这里：

图7 

图中示意的角度是45度，靠近z轴的红色箭头就是当前的朝向。注意旋转10度，是顺时针旋转10度，-10度是逆时针旋转10度。在事件处理中点q我们就加2度（顺时针），点e我们就减两度（逆时针）。代码如下： 

            if ((ea.getKey() == 'q') || (ea.getKey() == 'Q')) //右转
            {
                _rotation.z() += osg::inDegrees(2.0);
                if (_rotation.z() > osg::inDegrees(180.0))
                {
                    _rotation.z() -= osg::inDegrees(360.0);
                }
            }
            if ((ea.getKey() == 'E') || (ea.getKey() == 'e')) // 左转
            {
                _rotation.z() -= osg::inDegrees(2.0);
                if (_rotation.z() < osg::inDegrees(-180.0))
                {
                    _rotation.z() += osg::inDegrees(360.0);
                }
            }

代码段8 

4.3. 向前走

以下摘自杨石兴博客：

       向前走是点w，也是个大难题，容易把人绕晕乎。向前走不涉及z的值，只涉及xy的值。而具体往哪个方向走，将步长固定下来，则xy方向上的变化量就是与朝向有关系了，如下图所示：

图8 

       上图看仔细了啊，现在我们站在原点，要走向红线的另一头，红线的长度是步长，_eye的z值怎么走都不变，则如图走到红线另一头则x方向上的变化是绿线，y方向上的变化是黄线，图中蓝线的角度就是_rotation.z()，图上这个角度肯定是负的，因为是顺时针转了一点点。默认朝向是朝y轴正方向的，顺时针转了一点点就是负值，是蓝色的角度。已知蓝色的角度，和红色的步长，那求出来黄色和绿色就是分分钟的事情了。

     这里面在第一四象限可以用一个公式，在二三象限可以用一个公式。角度有正负、xy有正负、正逆时针旋转有正负，这三个正负搅和在一起，让你没有本文辅佐实难理清呀。拿第一象限来说，蓝色角度_rotation.z()在[0, 90]之间，stepSize * std::sin(_rotation.z()) 就是绿线。stepSize * std::cos(_rotation.z());就是黄线。慢慢理吧，以下是代码：

            if ((ea.getKey() == 'w') || (ea.getKey() == 'W'))//前进
            {
                float stepSize = 0.5;
                float zRot = _rotation.z();//[-180, 180]
                //判断朝向以xy为平面的哪个象限,注意默认是朝各Y轴正方向的，时不时就得提一下
                //第一象限||第四象限
                if (((zRot >= osg::inDegrees(0.0)) && (zRot <= osg::inDegrees(90.0)))|| ((zRot <= osg::inDegrees(180.0)) && (zRot >= osg::inDegrees(90.0))))
                {
                    _eye.x() += stepSize * std::sin(zRot);
                    _eye.y() += stepSize * std::cos(zRot);
                }
                else //二三象限
                {
                    _eye.x() += stepSize * std::sin(-zRot);
                    _eye.y() += stepSize * std::cos(-zRot);
                }           
            }

代码段9 

以下是所有的代码，在一个cpp文件中，直接拷走可用：

#include <osgViewer/viewer>
#include <osgDB/ReadFile>
#include <osg/Geode>
#include <osg/Geometry>
#include <osgGA/CameraManipulator>

class TravelCameraManipulator : public osgGA::CameraManipulator
{
public:
    TravelCameraManipulator()
    {
        //初始的场景是个20x20的棋盘，中心点在[0,0],xy的坐标范围是从[-10,10]，z=0
        //设置_eye的出生点
        _eye = osg::Vec3(0.0, -8, 1.0);
        //这里很关键，_rotation=(0,0,0)的情况下视点会朝向哪里呢，这是个基准参考量，后面的旋转都是从
        //这里来，所以务必要弄清楚，000时的朝向是Z轴负方向，头顶向Y轴正方向，自然右手边就是X轴正方向
        //在简书的文章里有图，简书搜杨石兴，《osg3.6.5最短的一帧》等找找
        //我们要想让视角转着朝向前方，也即站在(0.0, -8, 1.0）看向(0,0,0)，则只需要看向Y轴
        //正方向就可以，则只需要x轴方向逆时针转90度，则出生就是朝向这里了
        //用户可以自己修改这个值感受一下
        _rotation = osg::Vec3(osg::inDegrees(90.0), 0.0, 0.0);
        
    }

    //这三个纯虚函数本例不会使用
    virtual void setByMatrix(const osg::Matrixd& matrix) {};
    virtual void setByInverseMatrix(const osg::Matrixd& matrix) {};
    virtual osg::Matrixd getMatrix() const { return osg::Matrix::identity(); };

    //最关键的是这个，这个返回的就是ViewMatrix
    virtual osg::Matrixd getInverseMatrix() const
    {
        return osg::Matrix::inverse(osg::Matrix::rotate(_rotation.x(), osg::X_AXIS, _rotation.y(), osg::Y_AXIS,
            _rotation.z(), osg::Z_AXIS) * osg::Matrix::translate(_eye));
    };

    //事件处理，我们要点击A就围着Z轴顺时针转动，点D就逆时针转动，转的时候始终朝0 0 0 点看着
    virtual bool handle(const osgGA::GUIEventAdapter& ea, osgGA::GUIActionAdapter& us)
    {
        if (ea.getEventType() == osgGA::GUIEventAdapter::KEYDOWN)
        {
            //若是A键
            if ((ea.getKey() == 'q') || (ea.getKey() == 'Q')) // 右转
            {
                _rotation.z() += osg::inDegrees(2.0);
                if (_rotation.z() > osg::inDegrees(180.0))
                {
                    _rotation.z() -= osg::inDegrees(360.0);
                }
            }
            if ((ea.getKey() == 'E') || (ea.getKey() == 'e')) // 左转
            {
                _rotation.z() -= osg::inDegrees(2.0);
                if (_rotation.z() < osg::inDegrees(-180.0))
                {
                    _rotation.z() += osg::inDegrees(360.0);
                }
            }
            if ((ea.getKey() == 'w') || (ea.getKey() == 'W'))//前进
            {
                float stepSize = 0.5;
                float zRot = _rotation.z();//[-180, 180]
                //判断朝向以xy为平面的哪个象限,注意默认是朝各Y轴正方向的，时不时就得提一下
                //第一象限||第四象限
                if (((zRot >= osg::inDegrees(0.0)) && (zRot <= osg::inDegrees(90.0)))|| ((zRot <= osg::inDegrees(180.0)) && (zRot >= osg::inDegrees(90.0))))
                {
                    _eye.x() += stepSize * std::sin(zRot);
                    _eye.y() += stepSize * std::cos(zRot);
                }
                else //二三象限
                {
                    _eye.x() += stepSize * std::sin(-zRot);
                    _eye.y() += stepSize * std::cos(-zRot);
                }           
            }
        }
        return false;
    }

    //视点位置
    osg::Vec3d              _eye;
    //视点朝向
    osg::Vec3d              _rotation;
};

osg::Node* createBase(const osg::Vec3 center, float radius)
{
    osg::Group* root = new osg::Group;

    int numTilesX = 10;
    int numTilesY = 10;

    float width = 2 * radius;
    float height = 2 * radius;

    osg::Vec3 v000(center - osg::Vec3(width * 0.5f, height * 0.5f, 0.0f));
    osg::Vec3 dx(osg::Vec3(width / ((float)numTilesX), 0.0, 0.0f));
    osg::Vec3 dy(osg::Vec3(0.0f, height / ((float)numTilesY), 0.0f));

    // fill in vertices for grid, note numTilesX+1 * numTilesY+1...
    osg::Vec3Array* coords = new osg::Vec3Array;
    int iy;
    for (iy = 0; iy <= numTilesY; ++iy)
    {
        for (int ix = 0; ix <= numTilesX; ++ix)
        {
            coords->push_back(v000 + dx * (float)ix + dy * (float)iy);
        }
    }

    //Just two colours - black and white.
    osg::Vec4Array* colors = new osg::Vec4Array;
    colors->push_back(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f)); // white
    colors->push_back(osg::Vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f)); // black

    osg::ref_ptr<osg::DrawElementsUShort> whitePrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);
    osg::ref_ptr<osg::DrawElementsUShort> blackPrimitives = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS);

    int numIndicesPerRow = numTilesX + 1;
    for (iy = 0; iy < numTilesY; ++iy)
    {
        for (int ix = 0; ix < numTilesX; ++ix)
        {
            osg::DrawElementsUShort* primitives = ((iy + ix) % 2 == 0) ? whitePrimitives.get() : blackPrimitives.get();
            primitives->push_back(ix + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
            primitives->push_back(ix + iy * numIndicesPerRow);
            primitives->push_back((ix + 1) + iy * numIndicesPerRow);
            primitives->push_back((ix + 1) + (iy + 1) * numIndicesPerRow);
        }
    }

    // set up a single normal
    osg::Vec3Array* normals = new osg::Vec3Array;
    normals->push_back(osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));

    osg::Geometry* geom = new osg::Geometry;
    geom->setVertexArray(coords);

    geom->setColorArray(colors, osg::Array::BIND_PER_PRIMITIVE_SET);

    geom->setNormalArray(normals, osg::Array::BIND_OVERALL);

    geom->addPrimitiveSet(whitePrimitives.get());
    geom->addPrimitiveSet(blackPrimitives.get());

    osg::Geode* geode = new osg::Geode;
    geode->addDrawable(geom);
    geode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);
    root->addChild(geode);

    root->addChild(osgDB::readNodeFile("axes.osgt"));

    return root;
}

int main()
{
    osgViewer::Viewer viewer;

    viewer.setCameraManipulator(new TravelCameraManipulator);
    viewer.setSceneData(createBase(osg::Vec3(0.0, 0.0, 0.0), 10.0));

    return viewer.run();
}

代码段10 

 注意：上面转动时，发现z轴也跟踪转动跑掉了，这是因为没固定视点和被观察物体中心点的距离导致的，如果想保持z轴固定不动，请参见：自定义一个简单的操控器类博文。

5. 总结

      结合上面的分析，我们得出结论：

  • OSG在内部已经将OPenGL的坐标系绕X轴正半轴顺时针旋转了90°。
  • OSG并没对视点进行旋转或平移，仅仅只是某些自带的操控器(如：跟踪球操控器)实现了对视点进行调整，以使其朝向场景，但大部分是没有调整默认视点方向的，大多数情况下，调整默认视点方向是程序员的责任。
  • 默认视点位置位于(0.0, -1.0, 0.0),朝向z轴负方向(屏幕向里)，且头顶是y轴，右手是x轴，如果场景不可见，则需调整视点位置和朝向。

6. 参考资料

 【1】：第9节 实例-最简单的第一人称漫游操作器

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