美国海军NPS OSG教程：全面解锁几何绘制与高级功能

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美国海军(NPS)的OSG教程是一系列深入讲解OpenSceneGraph (OSG)编程的课程，针对的是希望在这个强大的3D图形库中进行开发的专业人士。该教程分为十八课，涵盖了OSG的基础到高级应用，包括几何体绘制、纹理应用、渲染状态管理、模型加载、相机操作、交互控制、着色器编程、粒子系统、交集测试、节点遮掩等核心概念。 1. **第一课** 开始介绍了OpenSceneGraph中几何体的绘制，主要探讨了使用底层OpenGL基元的灵活性和工作原理，尽管这种方式可能工作量大，但它提供了基础的图形构建能力。 2. **第二课** 则专注于使用`StateSet`创建具有纹理的几何体，这是控制渲染外观的重要工具，能够帮助开发者为对象添加材质和视觉细节。 3. **第三课** 强调内嵌几何形状（Shape）对象和改变渲染状态，这有助于精细调整场景的视觉效果。 4. **第四课** 深入剖析`StateSet`的工作流程，讲解如何组织和应用渲染状态以达到预期的视觉效果。 5. **第五课** 教授如何从文件中加载模型，并将其放置在场景中，这是实际项目中的常见步骤，涉及到文件I/O和几何体转换。 6. **第六课** 包括使用`osgText`进行抬头显示(HUD)和渲染元(RenderBin)，这些功能对于实时信息展示和性能优化至关重要。 7. **第七课** 讲解如何搜索和控制节点，以及深度-of-field (DOF)节点的使用，这些技能有助于场景层次管理和视觉效果的控制。 8. **后续课程** 进一步扩展到相机操作，如更新回调的使用、键盘输入处理、相机位置控制以及获取节点的世界坐标。 9. **第十一课** 关注多摄像机系统，展示了如何同时浏览或观察场景的不同视角，以及与OSG 1.2版本的兼容性。 10. **第十二课** 走进着色器编程，包括顶点着色器和片元着色器的使用，以及如何传递和更新变量数据，以实现复杂的图形效果。 11. **最后几课** 介绍粒子效果的添加、保存和读取，以及节点遮掩的概念及其在实际场景中的应用。这个教程不仅提供技术知识，还注重实践操作和实际项目的应用，对于想要深入理解并掌握OSG的开发者来说，是不可或缺的参考资料。

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// 创建程序窗口并启动工作线程

viewer.realize();

// 进入仿真循环。在用户按下 ESC 键之前，viewer.done()都会返回 false。

// 用户也可以使用自己的键盘/鼠标事件处理器来替换缺省的处理器

while( !viewer.done() )

{

//执行新的一帧，其中封装了以下几种 Viewer 类操作：

// advance()通知程序向前移动一帧

// eventTraversal()收集事件并传递给事件处理器和回调

// updateTraversal()用于调用更新回调

// renderingTraversals()负责同步所有的渲染线程，并分配拣选，绘制和交换缓存

viewer.frame();

}

现在我们可以编译和运行上面的代码了（注意代码的调用格式，还有 main 函数是否已经添加了）。在运行时按

下 h 键将触发帮助菜单。按下 ESC 可以退出程序。

第六课 osgText，抬头显示（HUD），渲染元（RenderBin）

目标 ¶

向场景添加文字 - 包括抬头显示信息（HUD）样式的文字，以及放置于场景中的文字。

概述： ¶

Text 文字类派生自 Drawable 类。换句话说，文字类的实例可以被添加到 Geode 中，并作为几何体渲染。Text 类

的方法列表请参照 API 参考文档。此外，“Example osgtext”中也演示了各种方法的使用。本教程仅仅提供对 Text

类各种功能的简单介绍。绘制 HUD 包括两个基本概念：

1. 创建一个子树，其顶层节点设置了适当的投影和模型矩阵。

2. 将 HUD 子树的几何体关联到适当的渲染元（RenderBin），以确保 HUD 几何体在场景图形的其余部分全

部渲染完毕后才进行渲染。

用于渲染 HUD 的子树包括了一个投影矩阵和一个模型矩阵。我们使用水平和垂直范围等于屏幕尺寸的正交投影

矩阵，以保证文字坐标与像素坐标相等。为了保证模型正确，我们还需要使用单位矩阵作为模型观察矩阵。

渲染 HUD 时，我们需要将文字几何体关联到特定的渲染元（RenderBin）中。后者允许用户指定几何体绘制的顺

序。这样我们就可以确保 HUD 几何体是在场景的最后进行渲染的。

代码 ¶

首先，我们声明所需的变量：osg::Text 和 osg::Projection 对象

osg::Group* root = NULL;

osg::Node* tankNode = NULL;

osg::Node* terrainNode = NULL;

osg::PositionAttitudeTransform* tankXform;

//HUD 几何体的叶节点

osg::Geode* HUDGeode = new osg::Geode();

// 用于作 HUD 显示的 Text 实例

osgText::Text* textOne = new osgText::Text();

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// 这个文字实例将跟随坦克显示

osgText::Text* tankLabel = new osgText::Text();

// 投影节点用于定义 HUD 的视景体（view frustrum）

osg::Projection* HUDProjectionMatrix = new osg::Projection;

从文件中读取模型，并设置场景图形的结构，参见前一章教程。

// 初始化根节点

root = new osg::Group();

osgDB::FilePathList pathList = osgDB::getDataFilePathList();

pathList.push_back

("C:\\Projects\\OpenSceneGraph\\OpenSceneGraph-Data\\NPSData\\Models\\T72-Tank\\");

pathList.push_back

("C:\\Projects\\OpenSceneGraph\\OpenSceneGraph-Data\\NPSData\\Models\\JoeDirt\\");

pathList.push_back

("C:\\Projects\\OpenSceneGraph\\OpenSceneGraph-Data\\NPSData\\Textures\\");

osgDB::setDataFilePathList(pathList);

// 读入模型并关联到节点

tankNode = osgDB::readNodeFile("t72-tank_des.flt");

terrainNode = osgDB::readNodeFile("JoeDirt.flt");

// 初始化位置变换节点，用于放置坦克模型

tankXform = new osg::PositionAttitudeTransform());

tankXform->setPosition( osg::Vec3d(5,5,8) );

// 构件场景。将地形节点和位置变换节点关联到根节点

root->addChild(terrainNode);

root->addChild(tankXform);

tankXform->addChild(tankNode);

下一步，设置场景显示 HUD 文字。这里我们向场景中添加一个子树，其顶层节点使用投影和模型观察矩阵。

// 将投影矩阵添加到根节点。投影矩阵的水平和垂直范围与屏幕的尺寸

// 相同。因此该节点子树中的位置坐标将等同于像素坐标

HUDProjectionMatrix->setMatrix(osg::Matrix::ortho2D(0,1024,0,768));

// HUD 模型观察矩阵应使用单位矩阵

osg::MatrixTransform* HUDModelViewMatrix = new osg::MatrixTransform;

HUDModelViewMatrix->setMatrix(osg::Matrix::identity());

// 确保模型观察矩阵不会被场景图形的位置变换影响

HUDModelViewMatrix->setReferenceFrame(osg::Transform::ABSOLUTE_RF);

// 添加 HUD 投影矩阵到根节点，添加 HUD 模型观察矩阵到 HUD 投影矩阵。

// 模型观察矩阵节点的所有子节点都可以使用该投影矩阵进行视景

// 浏览，并使用模型观察矩阵来安置位置

root->addChild(HUDProjectionMatrix);

HUDProjectionMatrix->addChild(HUDModelViewMatrix);

现在我们设置几何体。我们创建一个与屏幕坐标对齐的四边形，并设置其颜色和纹理参数。

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// 将包含 HUD 几何体的 Geode 节点作为 HUD 模型观察矩阵的子节点

HUDModelViewMatrix->addChild( HUDGeode );

// 设置 HUD 的四边形背景，并添加到 Geode 节点

osg::Geometry* HUDBackgroundGeometry = new osg::Geometry();

osg::Vec3Array* HUDBackgroundVertices = new osg::Vec3Array;

HUDBackgroundVertices->push_back( osg::Vec3( 0, 0,-1) );

HUDBackgroundVertices->push_back( osg::Vec3(1024, 0,-1) );

HUDBackgroundVertices->push_back( osg::Vec3(1024,200,-1) );

HUDBackgroundVertices->push_back( osg::Vec3( 0,200,-1) );

osg::DrawElementsUInt* HUDBackgroundIndices =

new osg::DrawElementsUInt(osg::PrimitiveSet::POLYGON, 0);

HUDBackgroundIndices->push_back(0);

HUDBackgroundIndices->push_back(1);

HUDBackgroundIndices->push_back(2);

HUDBackgroundIndices->push_back(3);

osg::Vec4Array* HUDcolors = new osg::Vec4Array;

HUDcolors->push_back(osg::Vec4(0.8f,0.8f,0.8f,0.8f));

osg::Vec2Array* texcoords = new osg::Vec2Array(4);

(*texcoords)[0].set(0.0f,0.0f);

(*texcoords)[1].set(1.0f,0.0f);

(*texcoords)[2].set(1.0f,1.0f);

(*texcoords)[3].set(0.0f,1.0f);

HUDBackgroundGeometry->setTexCoordArray(0,texcoords);

osg::Texture2D* HUDTexture = new osg::Texture2D;

HUDTexture->setDataVariance(osg::Object::DYNAMIC);

osg::Image* hudImage;

hudImage = osgDB::readImageFile("HUDBack2.tga");

HUDTexture->setImage(hudImage);

osg::Vec3Array* HUDnormals = new osg::Vec3Array;

HUDnormals->push_back(osg::Vec3(0.0f,0.0f,1.0f));

HUDBackgroundGeometry->setNormalArray(HUDnormals);

HUDBackgroundGeometry->setNormalBinding(osg::Geometry::BIND_OVERALL);

HUDBackgroundGeometry->addPrimitiveSet(HUDBackgroundIndices);

HUDBackgroundGeometry->setVertexArray(HUDBackgroundVertices);

HUDBackgroundGeometry->setColorArray(HUDcolors);

HUDBackgroundGeometry->setColorBinding(osg::Geometry::BIND_OVERALL);

HUDGeode->addDrawable(HUDBackgroundGeometry);

我们需要创建一个 osg::StateSet，并禁止深度测试（总是在屏幕上绘制），允许 Alpha 混合（使 HUD 背景透明），

以保证 HUD 的渲染正确。然后我们使用一个指定数字的渲染元来分配几何体在拣选遍历中的渲染顺序。代码如

下所示：

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//设置渲染状态，使用上面定义的纹理

osg::StateSet* HUDStateSet = new osg::StateSet();

HUDGeode->setStateSet(HUDStateSet);

HUDStateSet->

setTextureAttributeAndModes(0,HUDTexture,osg::StateAttribute::ON);

//打开 GL_BLEND 混合模式（以保证 Alpha 纹理正确）

HUDStateSet->setMode(GL_BLEND,osg::StateAttribute::ON);

// 禁止深度测试，因此几何体将忽略已绘制物体的深度值，直接进行绘制

HUDStateSet->setMode(GL_DEPTH_TEST,osg::StateAttribute::OFF);

HUDStateSet->setRenderingHint( osg::StateSet::TRANSPARENT_BIN );

// 确认该几何题在最后进行绘制。渲染元（RenderBin）按照数字顺序执行渲染，因此我们设置一个较大

的数字值

HUDStateSet->setRenderBinDetails( 11, "RenderBin");

最后我们设置文字。由于 osg::Text 继承自 osg::Drawable，其实例可以作为 osg::Geode 实例的子节点添加到场景

中。

// 添加文字到 Geode 叶节点中

HUDGeode->addDrawable( textOne );

// 设置 HUD 文字的参数

textOne->setCharacterSize(25);

textOne->setFont("C:/WINDOWS/Fonts/impact.ttf");

textOne->setText("Not so good");

textOne->setAxisAlignment(osgText::Text::SCREEN);

textOne->setPosition( osg::Vec3(360,165,-1.5) );

textOne->setColor( osg::Vec4(199, 77, 15, 1) );

// 声明一个叶节点来保存坦克的标签文字

osg::Geode* tankLabelGeode = new osg::Geode();

// 将坦克标签添加到场景中

tankLabelGeode->addDrawable(tankLabel);

tankXform->addChild(tankLabelGeode);

// 设置坦克标签文字的参数，与坦克的坐标对齐，

// 这里使用 XZ_PLANE 保证文字与坦克的 XZ 平面对齐

tankLabel->setCharacterSize(5);

tankLabel->setFont("/fonts/arial.ttf");

tankLabel->setText("Tank #1");

tankLabel->setAxisAlignment(osgText::Text::XZ_PLANE);

// 设置文字渲染时包括一个对齐点和包围矩形

tankLabel->setDrawMode(osgText::Text::TEXT |

osgText::Text::ALIGNMENT |

osgText::Text::BOUNDINGBOX);

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