第四章 场景的节点与数据结构.doc

第四章 场景的节点与数据结构如果将场景比作房间，那么场景的节点就是房间里的床、桌、灯、柜等设施。著名的3D软件开发工具Open Inventor将应用程序抽象成“a scene graph plus a set of actions”，所有的图形对象、属性、事件响应全由场景的节点来处理，十分适合于图形的交互式绘制。Intra3D 2.0借鉴了Open Inventor的节点设计。本章讲述Intra3D 2.0的节点基类、形体节点、相机节点、光源节点和组节点的设计与实现。4.1 场景图与节点的概念从数据结构角度讲，场景是一个有向无环图，称为Scene Graph。场景的交互式绘制就是对Scene Graph各个节点的遍历绘制。节点可分为组节点与叶子节点两大类，Scene Graph的根节点总是组节点。以下“伪代码”用于创建图4.1所示的Scene Graph ：图4.1 Scene Graph 的组节点与叶子节点GroupNode *node1 = new GroupNode ;GroupNode *node2 = new GroupNode ;GroupNode *node4 = new GroupNode ;GroupNode *node7 = new GroupNode ;LeafNode *node3 = new LeafNode ;LeafNode *node5 = new LeafNode ;LeafNode *node6 = new LeafNode ;LeafNode *node8 = new LeafNode ;LeafNode *node9 = new LeafNode ;LeafNode *node10 = new LeafNode ;node1-AddChild(node2);node1-AddChild(node6);node1-AddChild(node7);node1-AddChild(node9);node1-AddChild(node10);node2-AddChild(node3);node2-AddChild(node4);node4-AddChild(node5);node7-AddChild(node8);如果用深度优先的方法遍历图4.1的Scene Graph，则节点的遍历顺序是1、2、3、4、5、6、7、8、9与10。Scene Grpah 中的叶子节点可以被多个组节点引用，如图4.2所示。当Scene Grpah比较复杂时，节点之间的引用关系也变得复杂，因此Scene Grpah需要用“对象引用计数”方法来管理节点的内存（见2.5节）。节点可以显式使用new来创建，但不可显式使用delete删除节点，应该用节点的Release函数。图4.2 叶子节点可以被多个组节点引用Intra3D 将Scene Graph节点分为组节点（GroupNode），形体节点（ShapeNode），光源节点（DirLightNode、PointLightNode、SpotLightNode）和相机节点（CameraNode）。所有上述节点均从基类节点SceneNode派生。SceneNode节点中定义了坐标系与丰富的3D交互功能。由于C+类支持数据（Data）和代码（Implementation）的继承，SceneNode节点功能可以被派生类节点继承。但是COM对象仅支持接口继承（本质上是继承虚函数的声明），不支持数据和代码的继承。只能在派生节点中包容ISceneNode并将ISceneNode的函数重新封装为当前节点的函数。COM库中的节点程序要比C+类库的复杂，4.3节将以ShapeNode为例分别论述类与COM对象的程序设计。相机是否该成为一种节点是值得商讨的话题。直观地讲，相机等同于观察者的眼睛，的确不是场景的组成部分。如果应用程序不涉及相机的交互，那么只需调用OpenGL的几个投影函数就可以实现图形学概念中的相机变换（请参考 Intra3D 的Window3D程序）。如果应用程序涉及复杂的相机交互，例如多个相机的切换，场景的漫游；此时将相机作为节点插入Scene Graph中，可以享用到在SceneNode定义的交互功能（请参考 Intra3D 的SceneView程序）。使用了相机节点的SceneView程序要比不使用相机节点的 Window3D程序复杂。4.2 场 景 节 点 的 基 类C+类库中的SceneNode程序见Intra3D-DLLIncludeLayer3SceneNode.h和Intra3D-DLLLayer3SceneNode.cpp。COM库的程序见Intra3D-COMLayer3SceneNode.h和SceneNode.cpp。本节主要论述类SceneNode的设计。SceneNode为场景的交互式绘制提供了两大功能：一是坐标系统的定义与图形变换；二是节点的拾取与绘制。类SceneNode是Container的公有派生类，其数据结构并不复杂，但运算函数较多。其主要数据成员如下：protected:SceneNode *m_pParent ; char m_strNodeName32 ;VECTOR m_position, m_oldPosition ;ROTATION m_rotation, m_oldRotation ;VECTOR m_scale, m_oldScale ;Trackball m_trackball ;/ 跟踪球BOOL m_bSelected ;/ 当前节点被拾取的标志4.2.1 坐标系统的定义与图形变换每个节点都有标定自己的坐标系，称为对象坐标系（Object Coordinate System）。在2.1节已经论述了可用旋转结构（ROTATION）、平移矢量、比例矢量来确定图形变换的状态与过程。m_position、m_rotation与m_scale三个量分别表示该节点在父节点坐标系中的位置量、旋转量与比例量，执行节点的图形变换函数将改变上述量。m_oldPosition、 m_odlRotation与m_oldScale用于记录原始状态，便于恢复。节点的相互连接构成了Scene Graph，为了有统一的参照系，把Scene Graph的根节点的坐标系称为世界坐标系（World Coordinate System）。场景最后投影到窗口中，即执行了相机变换。观察者用鼠标对场景节点直接拖动、旋转等操作，实质是执行了相机坐标系（Camera Coordinate System）的图形变换。因此场景的3D交互包含了节点在对象坐标系与相机坐标系的图形变换。用于定义坐标系统与图形变换的主要函数有：public:/ 定义坐标系统的函数 void SetPosition(float x, float y, float z);void SetRotation(float angle, float nx, float ny, float nz);void SetScale(float sx, float sy, float sz);/ 对象坐标系的图形变换函数void Translate(VECTOR trans);void Rotate(float angle, VECTOR axis);void Scale(float sx, float sy, float sz);virtual void ResetTransform(void);/ 相机坐标系的图形变换函数void TranslateInCamera(VECTOR trans);void RotateInCamera(float angle, VECTOR axis);void MouseTrackStart(int iViewportWidth, int iViewportHeight, int mx, int my);void MouseTracking(int dx, int dy); protected:/ FWTO : From World Coordinate To Object Coordinate/ FOTW : From Object Coordinate To World Coordinate/ FCTO : From Camera To Coordinate Object Coordinate/ FOTC : From Object Coordinate To Camera Coordinate/ 对象坐标系、世界坐标系、相机坐标系之间的顶点换算void VertexTransform_FWTO(float *x, float *y, float *z);void VertexTransform_FOTW(float *x, float *y, float *z);void VertexTransform_FCTO(float *x, float *y, float *z); void VertexTransform_FOTC(float *x, float *y, float *z);/ 对象坐标系、世界坐标系、相机坐标系之间的矢量换算void VectorTransform_FWTO(VECTOR *V);void VectorTransform_FOTW(VECTOR *V);void VectorTransform_FCTO(VECTOR *V);void VectorTransform_FOTC(VECTOR *V);函数SetPosition、SetRotation与SetScale用于设置该节点在父节点坐标系中的位置量、旋转量与比例量。void SceneNode:SetPosition(float x, float y, float z)m_position.x=x;m_position.y=y;m_position.z=z;m_oldPosition=m_position;/ 记录原始状态void SceneNode:SetRotation(float angle, float nx, float ny, float nz)m_rotation.angle=angle;m_rotation.axis.x=nx;m_rotation.axis.y=ny;m_rotation.axis.z=nz;VectorNormalize(&m_rotation.axis);m_oldRotation=m_rotation;/ 记录原始状态void SceneNode:SetScale(float sx, float sy, float sz)m_scale.x=sx;m_scale.y=sy;m_scale.z=sz;m_oldScale=m_scale;/ 记录原始状态函数Translate、Rotate与Scale用于实现对象坐标系中的平移变换、旋转变换与比例变换。ResetTransform函数用于恢复原始状态。void SceneNode:Translate(VECTOR trans)/ 注意理解为什么要用 VectorTransformtrans=VectorTransform(trans, m_rotation); / 见Rotation.hm_position.x += trans.x;m_position.y += trans.y;m_position.z += trans.z;void SceneNode:Rotate(float angle, VECTOR axis)ROTATION R(axis, angle); VectorNormalize(&R.axis);/ 注意理解为什么要用 VectorTransformR.axis=VectorTransform(R.axis, m_rotation); m_rotation=m_rotation*R;/ 见Rotation.hvoid SceneNode:Scale(float sx, float sy, float sz)m_scale.x *= sx;m_scale.y *= sy;m_scale.z *= sz;void SceneNode:ResetTransform(void)/ 恢复初始状态m_position= m_oldPosition;m_rotation= m_oldRotation;m_scale= m_oldScale;TranslateInCamera与RotateInCamera是相机坐标系的平移变换与旋转变换函数。MouseTrackStart 与MouseTracking用于鼠标跟踪球交互。void SceneNode:TranslateInCamera(VECTOR trans)if(GetType() != CAMERA_NODE)VectorTransform_FCTO(&trans);Translate(trans);void SceneNode:RotateInCamera(float angle, VECTOR axis)if(GetType() != CAMERA_NODE)VectorTransform_FCTO(&axis);Rotate(angle, axis);void SceneNode:MouseTrackStart(int width, int height, int mx, int my)/ 计算旋转中心在窗口中的坐标float cx=0, cy=0, cz=0;if(GetType() = CAMERA_NODE) cx=width/2.0;cy=height/2.0;elseVertexTransform_ObjectToWindow(&cx, &cy, &cz);cy=height-cy;/ OpenGL Window 与 MFC Window 在Y方向反向m_trackball.SetTrackWindow(width, height, int(cx), int(cy);m_trackball.Start(mx, my);void SceneNode:MouseTracking(int dx, int dy)VECTOR axis;float angle;m_trackball.Tracking(dx, dy, &axis, &angle);RotateInCamera(angle, axis);4.2.2 节点的拾取与绘制用于拾取与绘制节点的主要函数有：public:virtual SceneNode *Search(char *name)return NULL;virtual void Selected(void)m_bSelected=TRUE; virtual void Unselected(void)m_bSelected=FALSE; virtual void Draw(void);virtual void DrawForMouseSelect(void); void LoadMatrix(void);/ 在Draw, DrawForMouseSelect 之前调用一般情况下，节点用Draw函数绘制。当场景的节点处于拾取状态时，OpenGL的绘制模式为GL_SELECT，此时要用DrawForMouseSelect函数绘制节点。在执行Draw或DrawForMouseSelect函数前，应调用LoadMatrix函数。Search、Selected、Unselected、Draw与DrawForMouseSelect均为虚函数，具体行为由派生类定义。void SceneNode:LoadMatrix(void)glTranslatef(m_position.x, m_position.y, m_position.z);glRotatef(m_rotation.angle,m_rotation.axis.x, m_rotation.axis.y, m_rotation.axis.z);glScalef(m_scale.x, m_scale.y, m_scale.z); COM接口ISceneNode定义如下：interface ISceneNode : IDispatchHRESULT SetName(BSTR strName);HRESULT GetName(BSTR *strName);HRESULT SetPosition(float x, float y, float z);HRESULT GetPosition(out float *x, out float *y, out float *z);HRESULT SetRotation(float angle, float nx, float ny, float nz);HRESULT GetRotation(out float *angle, out float *nx, out float *ny, out float *nz);HRESULT SetScale(float sx, float sy, float sz);HRESULT GetScale(out float *sx, out float *sy, out float *sz);HRESULT SetRotateStep(float fRotateStep);HRESULT GetRotateStep(out,retval float *step);HRESULT GetTranslateStep(out,retval float *step);HRESULT SetTranslateStep(float fTransStep);HRESULT SetScaleStep(float fScaleStep);HRESULT GetScaleStep(out,retval float *step);HRESULT ResetTransform();HRESULT Scale(float sx, float sy, float sz);HRESULT Translate(float dx, float dy, float dz);HRESULT Rotate(float angle, float nx, float ny, float nz);HRESULT TranslateInCamera(float dx, float dy, float dz);HRESULT RotateInCamera(float angle, float nx, float ny, float nz);HRESULT MouseTrackStart(int iViewportWidth, int iViewportHeight, int mx, int my);HRESULT MouseTracking(int dx, int dy);HRESULT LoadMatrix();HRESULT LoadInverseMatrix();HRESULT LoadMatrix_FWTO();HRESULT LoadMatrix_FOTW();HRESULT VertexTransform_FWTO(in,out float *x, in,out float *y, in,out float *z);HRESULT VertexTransform_FOTW(in,out float *x, in,out float *y, in,out float *z);HRESULT VertexTransform_FCTO(in,out float *x, in,out float *y, in,out float *z);HRESULT VertexTransform_FOTC(in,out float *x, in,out float *y, in,out float *z);HRESULT SetParent(ISceneNode *node);HRESULT GetParent(out,retval ISceneNode *node);HRESULT GetType(out,retval EnumNodeType *type);HRESULT Search(BSTR name, out, retval ISceneNode *node);HRESULT Draw();HRESULT DrawForMouseSelect();HRESULT Selected();HRESULT Unselected();HRESULT IsSelected(out,retval BOOL *bFlag);4.3 形 体 节 点形体节点可以引用图形对象，3D交互由节点提供，绘制则由所引用的图形对象实现。这样设计可使形体节点既简单又通用。C+类库中的ShapeNode程序见Intra3D-DLL IncludeLayer3ShapeNode.h和Intra3D-DLLLayer3ShapeNode.cpp。COM库中的程序见Intra3D-COMLayer3ShapeNode.h和ShapeNode.cpp。类ShapeNode的声明如下：class ShapeNode : public SceneNodepublic:void SetBoundColor(float red, float green, float blue);void ShowBoundBox(void);void HideBoundBox(void);void SetGraphicalObject(GraphicalObject *object);virtual void Draw(void);virtual void DrawForMouseSelect(void);.protected:virtual void FinalRelease(void);/ Container.hprotected:GraphicalObject *m_pGraphicalObject;float m_fBoundColor3;BOOL m_bShowBoundBox;SetBoundColor、ShowBoundBox与HideBoundBox函数用于处理图形对象的包围盒：/ 设置包围体(盒、球)的颜色void ShapeNode:SetBoundColor(float red, float green, float blue)m_fBoundColor0=red;m_fBoundColor1=green;m_fBoundColor2=blue;/ 在节点被拾取时，显示包围盒void ShapeNode:ShowBoundBox(void)m_bShowBoundBox=TRUE;/ 在节点被拾取时，隐藏包围盒void ShapeNode:HideBoundBox(void) m_bShowBoundBox=FALSE;函数SetGraphicalObject引用外部定义的图形对象。当形体节点在删除自身时，应先消除对图形对象的引用，此工作由FinalRelease函数完成。void ShapeNode:SetGraphicalObject(GraphicalObject *object)if(m_pGraphicalObject != NULL)m_pGraphicalObject-Release();m_pGraphicalObject=object;if(object != NULL)m_pGraphicalObject-AddRef();void ShapeNode:FinalRelease(void)if(m_pGraphicalObject!=NULL)m_pGraphicalObject-Release();形体节点的绘制由被引用的图形对象的Draw函数实现。当节点被拾取时，应给图形对象加上包围盒，以区别于其它节点。DrawForMouseSelect函数仅用于鼠标的拾取判断，并不将图形在窗口中显示出来，因此无需绘制包围盒。void ShapeNode:Draw(void)if(m_pGraphicalObject = NULL)return;glPushMatrix();LoadMatrix();/ SceneNode.h/ Draw Bounding Boxif(IsSelected() & m_bShowBoundBox)glColor3fv(m_fBoundColor);int flag;glGetIntegerv(GL_LIGHTING, &flag);if(flag) glDisable(GL_LIGHTING);float x, y, z, cx, cy, cz;m_pGraphicalObject-GetBoundBox(&x, &y, &z, &cx, &cy, &cz);if( x!=0 & y!=0 & z!=0 )DrawWireBox(x, y, z, cx, cy, cz);if(flag) glEnable(GL_LIGHTING);m_pGraphicalObject-Draw();glPopMatrix();void ShapeNode:DrawForMouseSelect(void)if(m_pGraphicalObject = NULL) return;LoadNameForMouseSelect(m_strNodeName);/ MouseSelect.hglPushMatrix();LoadMatrix();/ SceneNode.hm_pGraphicalObject-Draw();glPopMatrix();COM对象的程序要比对应的C+类复杂，这是因为COM对象仅支持接口继承而不支持数据和代码的继承。COM对象ShapeNode提供接口IShapeNode和ISceneNode。尽管接口ISceneNode的具体功能已经在COM对象SceneNode中实现，但是ShapeNode只能用包容ISceneNode的方法将ISceneNode的函数重新封装。interface IShapeNode : IDispatchHRESULT SetGraphicalObject(IGraphicalObject *object);HRESULT GetGraphicalObject(out,retval IGraphicalObject *object);HRESULT SetBoundColor(float red, float green, float blue);HRESULT GetBoundColor(out float *red, out float *green, out float *blue);HRESULT ShowBoundBox();HRESULT HideBoundBox();class CShapeNode : public CComObjectRootEx,public CComCoClass,public IDispatchImpl,public IDispatchImplpublic:CShapeNode();CShapeNode();virtual void FinalRelease(void);/ CComObjectRootExDECLARE_REGISTRY_RESOURCEID(IDR_SHAPENODE)DECLARE_PROTECT_FINAL_CONSTRUCT()BEGIN_COM_MAP(CShapeNode)COM_INTERFACE_ENTRY(IShapeNode)COM_INTERFACE_ENTRY2(IDispatch, IShapeNode)COM_INTERFACE_ENTRY(ISceneNode)END_COM_MAP()public:/- 接口IShapeNode 的函数 -STDMETHOD(HideBoundBox)();STDMETHOD(ShowBoundBox)();STDMETHOD(GetBoundColor)(float *red, float *green, float *blue);STDMETHOD(SetBoundColor)(float red, float green, float blue);STDMETHOD(GetGraphicalObject)(IGraphicalObject *object);STDMETHOD(SetGraphicalObject)(IGraphicalObject *object);/- 接口ISceneNode 的函数 -.STDMETHOD(Draw)();STDMETHOD(DrawForMouseSelect)();protected:ISceneNode *m_pNode;IGraphicalObject *m_pGraphicalObject;floatm_fBoundColor3;BOOLm_bShowBoundBox;对于ISceneNode的函数，除了Draw与DrawForMouseSelect需要重新定义外，其它函数均可以通过简单的再封装实现，如下面程序所示：STDMETHODIMP CShapeNode:SetPosition(float x, float y, float z)AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState()m_pNode-SetPosition(x, y, z);/ 简单的再封装return S_OK;STDMETHODIMP CShapeNode:Translate(float dx, float dy, float dz)AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState()m_pNode- Translate (dx, dy, dz);/ 简单的再封装return S_OK;要注意的是 m_pNode的内存管理。m_pNode不能用new操作符来创建，而要用COM提供的CoCreateInstance函数。释放m_pNode时不能用delete操作符，而要用COM接口的Release函数。如下面程序所示：CShapeNode:CShapeNode(void)m_pGraphicalObject=NULL;HRESULT hr = CoCreateInstance(CLSID_SceneNode, NULL, CLSCTX_INPROC_SERVER, IID_ISceneNode, (void*)&m_pNode);CShapeNode:CShapeNode(void)if(m_pNode!=NULL)m_pNode-Release();void CShapeNode:FinalRelease(void)if(m_pGraphicalObject!=NULL)m_pGraphicalObject-Release();4.4 相 机 节 点将相机作为一种节点是为了支持多个相机切换、虚拟漫游等复杂的3D交互。相机节点已经超出了图形学中投影变换的概念。Intra3D 的多重采样消锯齿技术（见第五章SceneView程序），实际上是依靠抖动相机节点多次绘制场景而实现的。由于相机节点不象形体节点、光源节点那么直观，使得用户不易掌握。Intra3D的SceneView程序很好地封装了对相机节点的交互，用户只需了解如何设置相机节点即可。相机节点的常用函数如下：void Active(void);BOOL IsActive(void);void SetProjectionMode(int mode);int GetProjectionMode(void);void SetViewVolume(float viewAngle, float nearZ, float farZ, float orthoZ);void GetViewVolume(float *aspect, float *viewAngle, float *nearZ, float *farZ, float *orthoZ);场景中至少要有一个相机节点，否则SceneView将不知道如何在窗口中绘制场景。如果场景有多个相机节点，则每次绘制场景时只能有一个相机节点激活。函数Active用于激活相机，Active函数是排它性的。函数IsActive用于查询相机节点是否被激活。相机节点的投影模式有两种：透视投影（宏定义为PERSPECTIVE）与平行投影（宏定义为ORTHO）。函数SetProjectionMode用于设置投影模式。相机节点的位置与朝向由SceneNode的函数SetPosition与SetRotation设置。用函数SetViewVolume同时设置透视投影与平行投影的视见体参数需要一些技巧。其原理如下：记参数 nearZ, farZ分别为视点到近平面与远平面的距离；aspect为窗口宽与高的比。对于透视投影，用三个参数viewAngle, nearZ, farZ可以确定视见体。对于平行投影，用四个参数width, height, nearZ, farZ可以确定视见体。但viewAngle,width,height在概念上难以统一。引入参数orthoZ，令：height = 2.0 * orthoZ * tan(viewAngle/2.0) width = height * aspect则可以用四个参数viewAngle, nearZ, farZ, orthoZ同时设置透视投影与平行投影的视见体。C+类库中的CameraNode程序见Intra3D-DLLIncludeLayer3CameraNode.h和Intra3D-DLLLayer3CameraNode.cpp。COM库中的程序见Intra3D-COMLayer3 CameraNode.h和CameraNode.cpp。COM对象提供两个接口：ICameraNode 与ISceneNode。有关CameraNode函数详细的说明请参见Intra3D 2.0的库函数手册。4.5 光 源 节 点OpenGL有完备的光照明函数，但是没有对光源进行交互的函数。Intra3D将光源作为节点，目的是为了享用SceneNode提供的3D交互功能。光源节点分为平行光源节点（DirLightNode）、点光源节点（PointLightNode）与锥光源节点（SpotLightNode）。图4.3 平行光源、点光源与锥光源的形状图4.4 编辑平行光源的颜色为了形象地表示光源节点，让每个光源节点都具有“形状”，如图4.3所示。有了可视的“形状”，就可用鼠标直接操作光源节点，并且可以编辑光源的颜色，如图4.4所示。DirLightNode、PointLightNode与SpotLightNode的函数很相似。类DirLightNode的主要公有函数声明如下：/- 用于设置光源参数的函数 -voidTurnOn(void)voidTurnOff(void)voidShowShape(void)voidHideShape(void)BOOLIsShowShape(void)voidSetColor(float r, float g, float b)voidGetColor(float *r, float *g, float *b)voidSetDiffuseIntensity(float intensity)floatGetDiffuseIntensity(void)voidSetAmbientIntensity(float intensity)floatGetAmbientIntensity(void)voidSetSpecularIntensity(float intensity)floatGetSpecularIntensity(void)/- SceneNode 中的虚函数 -virtual int GetType(void) return DIR_LIGHT_NODE; virtual void Draw(void);virtual void DrawForMouseSelect(void);virtual void Selected(void);virtual void Unselected(void);类PointLightNode要比类DirLightNode多一对函数：voidSetAttenuation(float a0, float a1, float a2)；voidGetAttenuation(float *a0, float *a1, float *a2)；类SpotLightNode则又比类PointLightNode多两对函数：voidSetDirection(float nx, float ny, float nz);voidGetDirection(float *nx, float *ny, float *nz);voidSetCutoffAngle(float angle);floatGetCutoffAngle(void);C+类库中DirLightNode的程序见Intra3D-DLLIncludeLayer3DirLightNode.h和Intra3D-DLLLayer3DirLightNode.cpp。PointLightNode的程序见Intra3D-DLLInclude Layer3PointLightNode.h以及Intra3D-DLLLayer3PointLightNode.cpp。SpotLightNode节点的程序见Intra3D-DLLIncludeLayer3SpotLightNode.h以及Intra3D-DLLLayer3 SpotLightNode.cpp。COM库中DirLightNode的程序见Intra3D-COMLayer3DirLightNode.h和DirLightNode.cpp。PointLightNode的程序见Intra3D-COMLayer3PointLightNode.h和PointLightNode.cpp。SpotLightNode节点的程序见Intra3D-COMLayer3SpotLightNode.h和SpotLightNode.cpp。COM对象DirLightNode提供接口IDirLightNode和ISceneNod