翻译：osgFX - 开发者简明手册

た入场券 2022-08-06 12:09 259阅读 0赞

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osgFX - 开发者简明手册  
Marco Jez  
2003年9月  
  
osgFX是一个OpenSceneGraph的附加库，是一个用于实现一致、完备、可重用的特殊效果的构架工具，其效果可以添加到OSG的节点中。它同时还包含了一系列预定义好的特殊效果。  
  
osgFX概述  
所谓“特效”指的是装载于单个对象中的一系列可视的属性和行为。要实现一个真正可用的特效，相应的特效类应当具备一个公有的接口，以修改各种配置和微调量。  
特效也可以被理解成是提出问题（对象应当是什么样子）与解决问题（应当设置哪些属性和其它调节量）之间的“桥梁”。从C++代码来看，特效具现了osgFX::Effect类的实例。或者说，是这个类的派生类的实例，因为osgFX::Effect直接派生自osg::Node，因此它是抽象类。  
对于OSG而言，特效就是一个Node节点。它与其它节点类的特性完全相同，因此可以关联到场景图形中的任意位置。  
特效功能图如图1所示。  
Effect类是一个多子节点的组节点。它使用addChild()方法和其它节点关联。  
在特效类中设置的可视属性将被关联到它的子节点上，与此相类似，Transform节点也会将坐标变换的信息应用到其子节点上。Effect中的各种属性不会在其子节点以外生效。  
  
如果用户想要将某一种特效应用到自己的图形子树上，那么需要遵循下面的步骤：  
1、创建所需特效的实例，例如，osgFX::Scribe；  
2、必要的话，使用特效类的方法设置特效属性；  
3、调用Effect::addChild()方法，将图形子树与特效节点相关联；  
4、将特效节点与场景图形关联。  
  
下面的例子中使用了刻线（scribe）特效：  
osg::ref\_ptr<osg::Node> my\_node = osgDB::readNodeFile(“cow.osg”);  
osg::ref\_ptr<osgFX::Scribe> scribe\_fx = new osgFX::Scribe;  
scribe\_fx->addChild(my\_node.get());  
scribe\_fx->setEnabled(true);  
root->addChild(scribe\_fx.get());  
代码执行的结果如图2所示。  
  
深入学习：技法和通道  
技法就是实现特效的某一种可能方法。  
由于图形硬件设备种类繁多，OpenGL也在不断扩展，因此不太可能用一种通用的方法来实现复杂的效果：针对不同的硬件和OpenGL环境，用户需要采用不同的实现手段来实现某个特效。  
一种特效的产生往往可以采用一种或几种技法，每一种技法都采用不同的方式来尝试实现相同的效果。  
缺省情况下，Effect类使用私有的StateAttribute对象来实时演算和验证各种技法，并选择最好的一种。  
特效的开发者可以自行定义各种技法的优先级，从而要求OSG首先验证用户所选的技法。  
Effect类会选择在实时的所有活动渲染设备中，可通过验证的优先级最高的技法，以为己用。  
如果需要的话，用户可以在任何时刻重载这一缺省特性。  
Effect类的技法功能图表如图3所示。  
  
多通道渲染的意思是，每次都使用不同的可视属性，多次绘制同一对象后，合并所有通道获得的最终图像。  
某些技法可能需要不止一个通道来实现所需的输出结果。  
技法类为每个渲染通道都创建一个StateSet对象，然后交由osgFX管理多通道的渲染工作。  
Effect类的通道功能图表如图4所示。  
  
扩展osgFX  
创建一个新的特效的基本步骤如下。  
1、特效都是从osgFX::Effect派生而来的，因此用户可以自由创建自己的派生类，例如命名它为TestFx。  
2、具现抽象方法，例如effectName()，effectDescription()等，可能需要用到META\_Effect宏。  
3、向系统注册新的特效类，即创建一个Registry::Proxy的静态实例：  
osgFX::Registry::Proxy proxy(new TestFx);  
4、具现保护成员中的抽象方法define\_techniques()，以便创建所需的特效技法。  
为了实现某个技法，用户需要编写一个继承自osgFX::Technique的类；且这个类应当是私有的。  
在用户特效类的define\_techniques()方法中，创建上述用户技法类的实例，并使用Effect::addTechnique()按照优先级降序的顺序将其添加到特效类中。  
为新建的技法提供一个验证手段。最简单（但不是最灵活的）的方法是重载Technique::getRequiredExtensions()方法，并指定这个技法所需的OpenGL扩展函数。  
具现Technique::define\_passes()方法，以便创建渲染通道。  
渲染通道的内部实现，是将其作为一个Group对象与一个StateSet相关联。特效类的子节点在运行时将自动被添加到通道节点上。  
技法类的define\_passes()方法为每个渲染通道创建了一个StateSet对象，并调用Technique::addPass()将其添加到技法类中。通道节点将自动生成并连接到渲染状态之上。  
  
以下为创建一个特效类所需的基本代码：  
Class TestFX (public)  
\{  
……  
META\_Effect(……);  
bool define\_techniques()  
\{  
addTechnique(new FirstTechnique);  
// 也可以继续添加别的技法实例。  
\}  
……  
\}  
  
Class FirstTechnique (private)  
\{  
……  
void getRequiredExtensions(……) const  
\{  
// 指定所需的GL扩展功能。  
\}  
void define\_passes()  
\{  
osg::ref\_ptr<osg::StateSet> ss1 = new osg::StateSet;  
// 添加渲染属性到ss1之后……  
addPass(ss1.get());  
  
osg::ref\_ptr<osg::StateSet> ss2 = new osg::StateSet;  
// 添加渲染属性到ss2之后……  
addPass(ss2.get());  
\}  
……  
\}  
  
总结：  
1、继承osgFX::Effect并创建特效类（例如TestFx），为其添加名字和描述信息，并使用注册代理（registry proxy）注册到系统中；  
2、为用户所需的每个技法创建私有类，并定义它们的验证手段；  
3、在TestFx::define\_techniques()中创建一个技法类的实例，并调用addTechnique()将其添加到特效中；  
4、在每个技法类的define\_passes()方法中，创建一个或多个StateSet对象（每个渲染通道创建一个），并调用addPass()将其添加到技法中。例子程序  
  
osgfxbrowser的效果如图5~8所示。对于目前已提供的特效，简介如下：  
  
刻线（Scribe）  
这是一个双通道的特效；第一个通道以通常的方式渲染图形，而第二个通道使用线框模式，用户设置好光照和材质之后，即可使用指定的颜色进行渲染。这个特效中使用了PolygonOffset渲染属性类来避免多边形斑驳（Z-fighting）的现象，它所需的OpenGL版本至少为1.1。各向异性光照（Anisotropic Lighting）  
这种特效使用单一通道，它使用了一种各向异性的光照来替代OpenGL的标准光照模型。几何体顶点的颜色在这里不是直接进行计算的，而是纹理映射到用户指定的光照图板的结果。这里需要使用顶点着色器（vertex program）来计算纹理坐标S和T的值：S = N · H；T = N · L。（其中的数学运算为点乘）这里N表示顶点的法线，L表示光到顶点的向量，H表示中间向量。这种特效很好地演示了State::getInitialViewMatrix()方法的使用，它可以直接获取视口的初始矩阵并实现直接与视口相关的特效，而不需要任何假借的工作。  
该特效需要ARB\_vertex\_program扩展的支持。  
  
卡通渲染（Cartoon）  
这种特效实现了一种名为卡通着色（Cel-Shading）的技法，从而产生一种卡通式的（非真实感的）的渲染效果。它需要两个通道支持；第一个用于绘制实体表面，第二个用于绘制轮廓线。该特效需要使用顶点着色器来设置纹理坐标，以便在运行时生成的纹理单元0上实现一种尖锐的光照效果。  
该特效需要ARB\_vertex\_program扩展或者OpenGL着色语言的支持。  
  
基于立方映射图的镜面高光（Cubemap-based Specular Highlights）  
这种特效在片断层级（fragment level）上（而不是OpenGL通常的顶点层级）应用了镜面高光，它使用了立方映射图和反射纹理生成（reflective texgen）的技术。首先要计算出纹理矩阵以实现立方映射图的自动旋转；这样无论从观察的方向和光照位置上来说，镜面光的效果都将是始终不变的。用户可以选择使用何种光照来计算纹理矩阵。  
该特效需要GL\_ARB\_texture\_env\_add扩展以及任意一种立方映射图扩展（GL\_EXT\_texture\_cube\_map，GL\_ARB\_texture\_cube\_map，或者OpenGL 1.3）的支持。  
  
凹凸贴图（Bump Mapping）  
这种特效可以创建一种凹凸不平的表面效果。其子节点必须使用两种纹理，其一是漫反射颜色，另一个是法线贴图（可以使用nVIDIA的法线贴图生成器或者其它工具，根据高度图自动生成）。此外，还需要创建正切空间（tangent-space）的基向量并将其关联到每个Geometry几何体上；这一步骤可以调用BumpMapping::prepareChildren()方法来迅速完成。注意Geometry对象的漫反射颜色和法线贴图纹理都必须提前定义好对应的UV贴图。  
该特效推荐使用一种运用了ARB顶点和片断着色器的技法，另外还定义了一种不使用片断着色器的技法。后者无法处理环境和镜面组件的运算，因此在运行时很受限制。

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