黃聰

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北省咸寧市 437100）

1 引言

OpensSceneGraph（OSG）是一個跨平臺開源場景圖形程序開發(fā)接口。它作為中間件為應(yīng)用軟件提供了各種高級渲染特性，IO，以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。它封裝并提供許多提升程序運行性能的算法，利用顯示列表、OpenGL 狀態(tài)排序、著色語言、LOD 等方法提高效率，提供了絕大多數(shù)主流數(shù)據(jù)格式的直接數(shù)據(jù)接口（包括圖片、三維模型，以及字體等），同時支持腳本語言系統(tǒng)Python、Tcl、Lua 等。

2 程序設(shè)計分析

2.1 內(nèi)存管理

當(dāng)應(yīng)用程序不再使用場景圖形時，OSG 使用內(nèi)存引用計數(shù)器（referencecounted memory）來自動釋放場景圖形節(jié)點，OSG的內(nèi)存管理機制將在最后一個指向根節(jié)點的指針被釋放時，釋放整個場景圖形。這種內(nèi)存引用計數(shù)機制包含以下兩個組件：基類osg::Referenced 和智能指針模板類ref_ptr＜＞。當(dāng)創(chuàng)建任何繼承自Referenced 的節(jié)點時，程序切不可直接釋放其內(nèi)存空間，也不要用標(biāo)準(zhǔn)C++指針變量長時間保存繼承自Referenced 類的對象指針,否則編譯時會提示錯誤信息。在osg::Reference 類成員函數(shù)中，有兩個成員函數(shù)ref()和unref()，二者主要用來控制內(nèi)存計數(shù)，程序不要隨意改變內(nèi)存計數(shù)器的值。運算符dynamic_cast 的主要作用是將基類的指針或者引用安全地轉(zhuǎn)換為派生類的指針或者引用，然后用派生類的指針或者引用調(diào)用非虛函數(shù)，需要注意的是，在類層次間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，基類型至少含有虛函數(shù)才能進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換。開發(fā)者在編寫代碼時為避免出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和指針懸掛問題，應(yīng)編寫清潔的代碼。

2.2 場景管理

場景管理是OSG 渲染引擎的核心部分，OSG 利用包圍體層次包圍體層次（Bounding Volume Hierarchy，BVH）來實現(xiàn)場景圖形的管理。通過綜合使用包圍球（Bounding Sphere）和包圍盒（Bounding Box）這兩種形式來盡可能達(dá)到最佳的場景組織和訪問性能。當(dāng)有節(jié)點樹中某節(jié)點發(fā)生變化時，需要重新計算該節(jié)點包圍球的大小和位置，一直遞歸到根節(jié)點，從而維護(hù)整個BVH 樹。場景圖形采用一種自頂向下的、分層的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織空間數(shù)據(jù)集，場景圖形樹的頂部是一個根節(jié)點，從根節(jié)點向下延伸，各個組節(jié)點中包含幾何信息和渲染狀態(tài)信息，各個葉節(jié)點包含了構(gòu)成場景中物體的實際幾何信息。場景樹包含的不同類型節(jié)點可以執(zhí)行各種不同的功能，如開關(guān)節(jié)點可設(shè)置子節(jié)點是否可用；細(xì)節(jié)層次節(jié)點可根據(jù)觀察者的距離調(diào)用不同的子節(jié)點；變換節(jié)點可改變子節(jié)點幾何體的坐標(biāo)變換狀態(tài)。簡單的場景可能只有一個Camera，復(fù)雜的場景可能有多個Camera，不同的Camara 從不同的角度看向同一個場景時，可能看到不同的場景，在渲染的時候，通過遍歷Camera，已完成渲染。不同的節(jié)點實現(xiàn)不同的功能，開發(fā)者應(yīng)根據(jù)需要靈活應(yīng)用，同時選擇合適的角度以觀察主場景。

2.3 訪問器機制

OSG 中的osg::NodeVisitor 是對訪問器模式思想的具體實現(xiàn)，訪問器的設(shè)計允許應(yīng)用程序?qū)⒛硞€特定節(jié)點的指定函數(shù)應(yīng)用到場景中的所有節(jié)點。通常的做法是繼承自osg::NodeVisitor 這個虛基類，重載apply()方法以獲取各個節(jié)點的屬性或者修改節(jié)點的屬性，在程序中調(diào)用accept()方法關(guān)聯(lián)需要訪問的節(jié)點，并啟動訪問器進(jìn)行遍歷。這種做法主要適用于一個對象結(jié)構(gòu)包含很多類對象，這些類對象有不同的接口，而想對它們實施一些依賴于其具體類的操作。如果對象結(jié)構(gòu)類經(jīng)常改變，那么可能在類中定義這些新的操作比較好。根據(jù)功能需要，可設(shè)置頂點訪問器，紋理訪問器，節(jié)點訪問器，編寫的訪問器重載基類的apply()函數(shù)以實現(xiàn)相應(yīng)功能，例如要查找指定的節(jié)點時，判斷某個節(jié)點名稱是否與要查找的節(jié)點名稱一樣，將找到的節(jié)點添加到自己的節(jié)點列表或者從節(jié)點列表刪除。

2.4 渲染管理

OSG 采用狀態(tài)機機制osg::StateSet 來跟蹤所用的渲染狀態(tài)，被狀態(tài)機管理的渲染狀態(tài)有：光照lights、材質(zhì)materials、紋理textures 等，它主要管理渲染屬性和渲染模式。將一個場景圖形關(guān)聯(lián)到一個實例化的osgViewer::Viewer 對象進(jìn)行渲染。因為Viewer類的osg::Camera 對象管理模型-視圖矩陣，可通過控制Camera對象來改變每一幀的視口顯示或者設(shè)置清屏顏色。在動態(tài)修改場景圖形時應(yīng)避免與揀選及繪制線程發(fā)生沖突。OSG 支持絕大部分OpenGL 固定功能管道（fixed function pipeline）渲染，如Alpha 檢驗，剪切平面，深度和模板檢驗，霧效，點和線的光柵化等。在程序中設(shè)置osg::StateSet 渲染狀態(tài)，但應(yīng)使關(guān)聯(lián)到場景圖形的StateSet 最小化，減少一次場景圖形遍歷中所耗費的工作量，從而減少內(nèi)存的占用。默認(rèn)情況下，所有的節(jié)點渲染狀態(tài)都繼承父節(jié)點的渲染狀態(tài)，除非開發(fā)者該表節(jié)點的渲染狀態(tài)或者繼承模式。OSG 的渲染歸納起來包括三個階段：用戶階段、更新數(shù)據(jù)階段、場景的管理階段，最終利用renderingTraversals()函數(shù)完成場景的揀選和繪制工作。

2.5 紋理映射

紋理映射即紋理貼圖，使用紋理映射可以大大提高三維物體的真實感，達(dá)到良好的顯示效果。OSG 全面支持OpenGL 的紋理映射機制，OSG 加載紋理并把紋理送達(dá)GUP 的過程中，對紋理進(jìn)行了縮放和歸一化處理。對紋理的操作主要包括一維紋理、二維紋理、三維紋理、多重紋理、Mipmap 紋理和壓縮紋理等。二維紋理映射中紋理坐標(biāo)與幾何體的頂點坐標(biāo)一一對應(yīng)。多重紋理映射是多個二維紋理映射的疊加，對于不同的紋理屬性對象需要指定不同的紋理單元及紋理坐標(biāo)，否則不會啟用該紋理單位或者該紋理單元會被覆蓋。Mipmap 紋理映射需要指定各層的紋理圖像數(shù)據(jù)，用以避免圖像縮放時出現(xiàn)的抖動或者閃爍現(xiàn)象，同時減少不必要的渲染負(fù)擔(dān)。程序員除了可以使用TextureRectangle 紋理映射，還可以自動生成紋理坐標(biāo)，以實現(xiàn)使用紋理貼圖生成模型的輪廓線或者光澤模型對任意環(huán)境的反射。

2.6 回調(diào)機制

OSG 的回調(diào)機制主要有如下三種：osg::Node、osg::Drawable、osg::Camera。osg::Node 在OSG 執(zhí)行更新和揀選遍歷時進(jìn)行回調(diào)；osg::Drawable 在揀選和繪制遍歷時進(jìn)行回調(diào)；osg::Camera在更新遍歷時進(jìn)行回調(diào)。目前經(jīng)常開發(fā)者經(jīng)常使用節(jié)點回調(diào)（NodeCallback）和事件回調(diào)（EventCallback）。使用節(jié)點回調(diào)需重載operator()方法，以實現(xiàn)場景的動態(tài)更新。當(dāng)交互事件觸發(fā)，如操作鍵盤、鼠標(biāo)、改變窗口或者點選場景中的某節(jié)點，事件回調(diào)不僅要重載operator()方法，還需創(chuàng)建事件訪問器并重載handle()方法，將回調(diào)實例關(guān)聯(lián)所需對象，如setUpdateCallback()，setEvent Callback(),setCullCallback()，setReadFileCallback()等。所有的事件均在osgViewer::Viewer::eventTraversal 中進(jìn)行，它將每個事件都發(fā)送到_eventHandlers 中的每個事件處理器中，經(jīng)過層層過濾，最終的操作由osgGA::GUIEventHandler 進(jìn)行處理。

2.7 獨立功能

OSG 使用一些工具類來實現(xiàn)一些相互獨立的功能，例如：osgParticle 粒子系統(tǒng)、osgText 文字處理與顯示、osgShadow 陰影、osgFX 擴展庫、osgAL 三維立體聲音等。osgParticle 采用Billboard與色彩融合技術(shù)，生成非常真實的粒子效果。osgText 有第三方插件FreeType 支持，用很小的點產(chǎn)生良好的輸出，顯示高質(zhì)量的文字。osgShadow 用來控制渲染實時陰影，渲染的時候要標(biāo)記出陰影投影對象和陰影接收對象。osgFX 擴展庫是OSG 的附加庫，它定義了一系列定義好的特殊效果，這些效果可以添加到OSG 的節(jié)點中，如異性光照特效、凹凸貼圖特效、卡通渲染特效、刻線特效、立方圖鏡面高光特效等。osgAL 提供三維位置音效，它支持的聲源的最大數(shù)量由電腦的顯卡決定，但最多不應(yīng)超過32 個聲源，否則程序會出錯。

3 平臺實現(xiàn)

OSG 具有跨平臺的特性，可運行在所有Windows、Linux、IOS、Android 等操作系統(tǒng)平臺，支持嵌入式設(shè)備。此外，OSG 可以運行在多核的CPU 和GPU 上，因為它對OpenGL 顯示列表、紋理單元、繪制遍歷等過程實施了保護(hù)措施，以實現(xiàn)異構(gòu)模式下的混合編程，可以通過osgViewer 配置當(dāng)前OSG 應(yīng)用程序的線程模型，渲染管線的不同階段可以單獨作為一個線程也可以在一個線程中串行執(zhí)行。它還支持各種UI，如Qt、MFC、SDL、GLUT、Wxwidget 等，分析研究Qt 的工作原理與信號槽消息機制，可編碼實現(xiàn)基于OSG與Qt 的應(yīng)用程序。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

OSG 在三維應(yīng)用程序的開發(fā)中扮演著重要的角色，廣泛應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)（GIS），計算機輔助設(shè)計（CAD），建模和數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作（DCC），數(shù)據(jù)庫開發(fā)，可視化（飛機、船舶、車輛等仿真）、三維建模、虛擬現(xiàn)實(VR)、教育、動畫和游戲等領(lǐng)域。

5 總結(jié)

OpenSceneGraph 作為一種優(yōu)秀的開源三維程序渲染引擎，它完全是由標(biāo)準(zhǔn)C++程序和OpenGL 編寫，充分利用STL 和設(shè)計模式，讓開發(fā)者避免復(fù)雜的底層圖形實現(xiàn)和優(yōu)化，為三維圖形應(yīng)用程序的開發(fā)提供了很多方便，同時，它在性能、可擴展性、可移植性等方面具有極大優(yōu)勢，能更加快速創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序，廣泛應(yīng)用于三維可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實等高性能圖形應(yīng)用程序設(shè)計中。