【OSG学习笔记】Day 2: 场景图（Scene Graph）的核心概念

今天课程分为两部分，第一部分我们学习一下Scene Graph理论知识，第二部分我们熟悉下OSG的源码。

第一部分（Scene Graph）

在OpenSceneGraph中，场景图（Scene Graph）通过树状层级结构高效管理3D对象。

场景图（Scene Graph）层级关系

以下是根节点、组节点和几何节点（Geode）的核心概念及层级关系：

根节点 (osg::Group)
│
└── 变换组节点 (osg::PositionAttitudeTransform)
    │
    ├── 几何节点1 (osg::Geode) → 包含立方体
    │
    └── 子组节点 (osg::Group)
        │
        └── 几何节点2 (osg::Geode) → 包含球体

根节点（Root Node）

作用：场景图的顶层入口，所有其他节点均为其子孙节点。
类型：通常是osg::Group或osgViewer::Viewer关联的根节点。
特性：

• 无父节点。
• 作为场景遍历的起点，渲染时从根节点开始递归处理子节点。

组节点（Group Node）

作用：组织子节点，构建层次结构。支持嵌套，用于组合变换、状态或逻辑分组。
类型：基类为osg::Group，扩展类型包括osg::Transform（变换节点）、osg::Switch（开关节点）、osg::LOD（细节层次节点）等。
特性：
通过addChild()方法添加子节点（其他组节点或Geode）。

• 示例：一个“汽车”组节点可包含“车轮”、“车身”等子组节点，每个子组可进一步细分。

几何节点（Geode）

作用：叶子节点，保存实际几何数据（如顶点、法线、纹理坐标）。
类型：osg::Geode（Geometry Node）。
特性：

• 无子节点，通过addDrawable()添加osg::Drawable对象（如osg::Geometry）。
• 示例：一个Geode节点可包含立方体或球体的几何数据。

看的是不是云里雾里的，伟大的圣人王阳明说过，要知行合一，所以下面我们通过代码来实践。

代码实例

scene_graph.cpp

#include <osg/Geode>
#include <osg/Group>
#include <osg/ShapeDrawable>
#include <osgViewer/Viewer>
#include <osg/Material>
#include <osg/StateSet>

int main()
{
    // 创建根节点
    osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group();

    // 创建第一个组节点（红色方块组）
    osg::ref_ptr<osg::Group> redGroup = new osg::Group();
    
    // 创建第一个几何节点（红色方块）
    osg::ref_ptr<osg::Geode> geode1 = new osg::Geode();
    geode1->addDrawable(new osg::ShapeDrawable(new osg::Box(osg::Vec3(-2,0,0), 1.0f)));
    geode1->getOrCreateStateSet()->setAttribute(new osg::Material());
    osg::Material* material1 = dynamic_cast<osg::Material*>(geode1->getStateSet()->getAttribute(osg::StateAttribute::MATERIAL));
    if (material1)
    {
        material1->setDiffuse(osg::Material::FRONT, osg::Vec4(1,0,0,1)); // 红色
    }

    // 创建第二个组节点（蓝色方块组）
    osg::ref_ptr<osg::Group> blueGroup = new osg::Group();

    // 创建第二个几何节点（蓝色方块）
    osg::ref_ptr<osg::Geode> geode2 = new osg::Geode();
    geode2->addDrawable(new osg::ShapeDrawable(new osg::Box(osg::Vec3(2,0,0), 1.0f)));
    geode2->getOrCreateStateSet()->setAttribute(new osg::Material());
    osg::Material* material2 = dynamic_cast<osg::Material*>(geode2->getStateSet()->getAttribute(osg::StateAttribute::MATERIAL));
    if (material2)
    {
        material2->setDiffuse(osg::Material::FRONT, osg::Vec4(0,0,1,1)); // 蓝色
    }

    // 构建场景图层级关系
    root->addChild(redGroup);    // 根节点包含红色组
    root->addChild(blueGroup);   // 根节点包含蓝色组
    
    redGroup->addChild(geode1);  // 红色组包含几何体1
    blueGroup->addChild(geode2); // 蓝色组包含几何体2

    // 创建查看器并设置场景数据
    osgViewer::Viewer viewer;
    viewer.setSceneData(root.get());
    return viewer.run();
}

代码都有注释，还是很好理解的。

接下来就是编译文件CMakeLists.txt:

cmake_minimum_required(VERSION 3.12)
project(OSG_SceneGraph_Demo)

# 设置C++标准
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)


# 查找OpenSceneGraph核心组件
find_package(OpenSceneGraph REQUIRED 
    COMPONENTS 
    osg          # 核心库
    osgDB        # 文件读写
    osgViewer    # 查看器功能
    osgGA        # 图形上下文
    osgUtil      # 工具库
)

# 包含头文件路径
include_directories(
    ${OPENSCENEGRAPH_INCLUDE_DIR}
)

# 创建可执行文件
add_executable(${PROJECT_NAME} scene_graph.cpp)

# 链接OpenSceneGraph库
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}
    ${OPENSCENEGRAPH_LIBRARIES}
    # Windows需要额外链接
    $<$<PLATFORM_ID:Windows>:OpenThreads>
)

# 配置调试模式
if(CMAKE_BUILD_TYPE STREQUAL "Debug")
    target_compile_definitions(${PROJECT_NAME} PRIVATE DEBUG)
    message(STATUS "Building in DEBUG mode")
endif()

运行效果

第二部分（源码解析）

看完了上面的实例，我们来看下源码的执行。

从上面代码我们可以看到，最后都是要走到view类的run函数。

我们来看下这个函数都干了什么？

我这里下载的是OpenSceneGraph-3.2.3版本。

首先找到源码的Viewer （OsgViewer/osgViewer.cpp）类：

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

    setReleaseContextAtEndOfFrameHint(false);

    return ViewerBase::run();
}

这里实现和简单就是跳转了ViewerBase::run().

继续跟踪分析：

int ViewerBase::run()
{
......

    while(!done() && (run_frame_count_str==0 || getViewerFrameStamp()->getFrameNumber()<runTillFrameNumber))
    {
   .......
                frame();
   .......
    }

    return 0;
}

最后就执行到了ViewerBase::frame()函数。

进入这个函数我们看下它主要干了啥。

void ViewerBase::frame(double simulationTime)
{
    if (_done) return;

    // OSG_NOTICE<<std::endl<<"CompositeViewer::frame()"<<std::endl<<std::endl;

    if (_firstFrame)
    {
        viewerInit();

        if (!isRealized())
        {
            realize();
        }

        _firstFrame = false;
    }
    advance(simulationTime);

    eventTraversal();
    updateTraversal();
    renderingTraversals();
}

我们一个一个来分析：

第一步：初始化

    if (_firstFrame)
    {
        viewerInit();

        if (!isRealized())
        {
            realize();
        }

        _firstFrame = false;
    }

viewerInit(): 初始化相机、场景等核心组件。

realize(): 创建原生窗口并绑定 OpenGL 上下文（若未就绪）。

如果这是仿真系统启动后的第一帧，则执行viewerInit()；此时如果还没有执行realize()函数，则执行它。

第二步：推进场景状态

    advance(simulationTime);

作用：调用场景中所有节点的 advance() 方法。
参数：simulationTime 通常表示逻辑时间（用于动画/物理模拟）。

第三步：事件处理

eventTraversal();

从窗口系统获取输入事件（键盘、鼠标等）。
通过 osgGA::EventQueue 分发事件。
触发事件处理器（osgGA::EventHandler）的回调。

第四步：场景更新

updateTraversal();

调用所有节点的 update() 回调。
更新场景图状态（位置变化、LOD切换等）。
执行 osg::NodeCallback 自定义更新逻辑。

第五步： 渲染遍历

renderingTraversals();

核心步骤：

裁剪（Cull）：确定可见对象，生成渲染列表。
绘制（Draw）：提交 OpenGL 命令到 GPU。
交换缓冲区：显示渲染结果（swapBuffers()）。

嗯~，今天的学习需要消化消化，下课，明天见。^_

参考文献

《最长的一帧》王锐（array）