引言

 本文为我学习OSG库的笔记，其目的是在已有计算机图形学的基础上，记录OSG的关键知识，以达到快速学习的目的。
 教材：OSG-DOC.pdf。

第一章：OSG概述

一、前言

（1）为什么要学习OSG?

  我在本科毕业时尝试使用DirectX去设计一个通用图形库，它旨在为Windows上应用程序提供图像计算和渲染服务，使得程序开发者不需要了解计算机图形学以及图像API，就能渲染出满意的图形。
 在设计过程中，学习DirectX12并不是我遇到最难的问题，而是如何设计通用图形库的架构，如何构建通用的Shader接口？如何提供和Shader配套的设置？如何组织场景对象？这些是需要思考的问题。
 OSG场景图像系统是使用OpenGL开发的库，它能让程序员更快速、便捷地创建高性能和跨平台的交互式图像程序。也许你会用OpenGL，但你是否能够设计出通用、高性能、跨平台的OpenGL封装库呢？
 无论是工作要使用OSG，还是学习如何设计图形引擎甚至游戏引擎，学习OSG都将使你受益匪浅。

（2）OSG的组成

 在系统的底层绘图硬件和相应的软件驱动程序之上，OSG封装了OpenGL。

 OSG由多个模块组成，它主要包括如下4个库（通读一遍下文即可）。

（3）OSG的智能指针

 OSG提供了智能指针类osg::ref_ptr来管理内存并防止内存泄漏，智能指针使用示例如下。

// 创建场景浏览器实例osgViewer::Viewer
osg::ref_ptr<osgViewer::Viewer> viewer = new osgViewer::Viewer(); // 推荐写法
osgViewer::Viewer* viewer = new osgViewer::Viewer(); // 不推荐写法

（4）OSG的安装编译

 在此不再赘述，可查阅OSG中文社区或非官方教程。

二、第一个OSG程序

（1）Hello OSG程序

 程序代码如下，本文所有代码具有注释，非关键点不再赘述。

#include<osgViewer/Viewer>

#include<osg/Node>
#include<osg/Geode>
#include<osg/Group>

#include<osgDB/ReadFile>
#include<osgDB/WriteFile>

#include<osgUtil/Optimizer>

int main()
{
	// 创建场景浏览器实例osgViewer::Viewer
	osg::ref_ptr<osgViewer::Viewer> viewer
		= new osgViewer::Viewer();

	// 创建一个场景组节点osg::Group
	osg::ref_ptr<osg::Group> root
		= new osg::Group();

	// 创建一个节点osg::node，并将牛模型读入到此节点中
	osg::ref_ptr<osg::Node> node
		= osgDB::readNodeFile("cow.osg");

	// 将node节点加入为group节点的子节点
	root->addChild(node.get());

	// 优化场景数据结构
	osgUtil::Optimizer optimizer;
	optimizer.optimize(root.get());

	// 将group节点设置为场景浏览器的场景数据
	viewer->setSceneData(root.get());

	// 初始化并创建窗口
	viewer->realize();

	// 开始渲染
	viewer->run();

	return 0;
}

 代码的学习，建议大家首先照着代码和注释打一遍，然后理解注释和代码，再然后删掉注释按照理解自己重写注释，最后删掉原代码按照注释还原代码。（找不到cow.osg文件的安装OSG-DATA并配置到环境变量，若使用了vcpkg可能会忽略环境变量，可在vs中进行设置)

（2）OSG渲染程序的基本流程

 根据上述程序，可知OSG场景渲染程序的基本流程如下：

步骤	内容
1	创建场景浏览器，即通过osgViewer::Viewer类创建对象，用于渲染场景
2	加载模型和场景数据
3	建立场景树，确定场景数据之间的关系
4	执行渲染场景的循环

 OSG提供许多丰富功能可使用命令行使用，本文专注于图像库的使用和设计，因此不再叙述，详情可看教材原文。

第二章：数学基础

 虽然学习过计算机图形学，但学习OSG是怎样对图形学系统进行封装的，是非常有必要的。
 OSG中的向量类有如下种类。

一、坐标系统

 坐标系是什么？坐标系是一个精确定位对象位置的框架，所有的图形变换都是基于一定的坐标系进行的。
 常见坐标系有世界坐标系、物体坐标系和摄像机坐标系。

（1）世界坐标系

 世界坐标系又称为全局坐标系，它描述的是整个场景中的所有对象，它为所有对象的位置提供一个绝对的参考标准，可以理解为绝对坐标系，因为所有对象的位置都是绝对坐标。

（2）物体坐标系

 物体坐标系是针对某一特定的物体建立的独立坐标系，它使得描述单独物体非常方便，比如建模师可能会在空间原点附近建模一个人体，这个人体模型就位于物体坐标系。
 建模师通常不在乎模型会被放到世界的哪个角落，它只需要在物体坐标系下建模好人物，然后生成人物的多个动画，当3D开发者使用时将模型变换到世界坐标即可。

（3）摄像机坐标系

 摄像机坐标系是和观察者相关的坐标系。摄像机坐标系和屏幕坐标系类似，但二者的差异在于摄像机坐标系处于3D空间中，而屏幕坐标系在2D平面里。
 摄像机坐标系描述的问题是：“哪些物体应该渲染并显示在屏幕上？”，主要包括物体是否在摄像机坐标系区域内、物体的渲染顺序和物体的遮挡剔除。
 OSG和OpenGL的世界坐标系都是左手坐标系，并且X轴都是向右，但OpenGL的Y轴向上且Z轴向你（即垂直指向屏幕外），而OSG的Z轴向上且Y轴垂直屏幕向里，具体见下图。

二、坐标系变化

（1）物体坐标系-世界坐标系变化

 三维实体对象需要经过一系列的坐标变化才能正确、真实地显示在屏幕上。
 每个物体对象都定义在自己的物体坐标系下，当渲染时，每个物体对象通过变化矩阵变换到世界坐标系中。
 如何在OSG中实现从物体坐标系到世界坐标系呢？OSG以节点组成场景树，每个节点都有自己的父节点和自己的变化矩阵，变化矩阵记录了如何从自己的坐标系变化到父节点坐标系，因此只需将该节点与根节点之间所有节点的变化矩阵相乘即可。
 如何实现上述遍历和计算过程呢？在OSG中有多种方式，如回调、访问器等。用访问器的好处是方便可控，每一帧都会自动计算矩阵变化，但缺点是回调在一定程度上不可操控，并且会增加额外开销而影响渲染效率。

（2）访问器

 访问器通过遍历的方式记录场景中节点的路径，并根据路径上的变化矩阵计算出世界坐标。下面以代码的形式展示访问器的使用。

#include<osgViewer/Viewer>

#include<osg/Node>
#include<osg/Geode>
#include<osg/Group>

#include<osgDB/ReadFile>
#include<osgDB/WriteFile>

#include<osgUtil/Optimizer>

// 手工如何计算？从节点到根节点，将变换矩阵逐个相乘计算最终结果。

// 定义新的节点访问器类，以实现对节点和场景树的自定义形式访问
// 新访问器类需要继承osg::NodeVisitor
class GetWorldCoordinateOfNodeVisitor : public osg::NodeVisitor
{
public:
	// 节点访问器类的构造函数，需要初始化osg::NodeVisitor
	// NodeVisitor::TRAVERSE_PARENTS表示访问目标节点和其父节点
	GetWorldCoordinateOfNodeVisitor() :
		osg::NodeVisitor(NodeVisitor::TRAVERSE_PARENTS), done(false)
	{
		/*
			osg::ref_ptr主要用于自动管理那些继承自osg::Referenced类的对象，
			而osg::VecN和osg::MatrixT类似整数和浮点数直接使用即可，
			但是osg::VecN*和osg::MatrixT*搭配new申请空间时，需要自己手动释放，否则会造成内存泄漏
		*/
		wcMatrix = new osg::Matrixd();
	}

	// 自定义访问节点和场景树的方式
	virtual void apply(osg::Node& node)
	{
		// done标识是否遍历到根节点，就像手算一样若遍历到根节点则逐层回退
		if (!done)
		{
			// 虽然说场景是树，但其实它是一个无环图，因为一个节点可能有多个父节点
			// 若一个场景需要渲染多棵同样的树，让树节点被多个具有不同变换的父节点引用即可
			if (0 == node.getNumParents())
			{
				// 若没有父节点则到达场景根节点，计算最终世界坐标并标识根节点已到达
				wcMatrix->set(osg::computeLocalToWorld(this->getNodePath()));
				done = true;
			}
			traverse(node);
		}
	}
	
	// 要返回最终变换矩阵的地址，因此该类没有处理osg::Matrixd可能造成的内存泄漏
	osg::Matrixd* giveUpDaMat()
	{
		return wcMatrix;
	}

private:
	bool done;
	osg::Matrix* wcMatrix;
};

// 访问节点node计算其最终变换矩阵
osg::Matrixd* getWorldCoords(osg::Node* node)
{
	/*
	* 若使用osg::ref_ptr<osg::node>作为参数，则该函数可能使得计数增加，使得node永远不能释放，造成内存泄漏
	* 因此若一个函数不应记录某参数，则应向其传入osg::T*即类型指针，并因此要检查此指针是否为空
	*/ 

	// 创建自定义访问器对象，由于其被节点所引用，因此应使用new申请方式
	GetWorldCoordinateOfNodeVisitor* ncv = new GetWorldCoordinateOfNodeVisitor();
	if (node && ncv)
	{
		// 将访问器应用到节点，节点会引用该访问器
		node->accept(*ncv);

		// 返回访问器的遍历结果
		return ncv->giveUpDaMat();
	}
	else
	{
		return NULL;
	}
}