新版第四章场景的节点与数据结构课件doc.docx
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新版第四章场景的节点与数据结构课件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OpenInventor将应用程序抽象成“ascenegraphplusasetofactions”，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。
Intra3D2.0借鉴了OpenInventor的节点设计。
本章讲述Intra3D2.0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SceneGraph。
场景的交互式绘制就是对SceneGraph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，SceneGraph的根节点总是组节点。
以下“伪代码”用于创建图4.1所示的SceneGraph：
图4.1SceneGraph的组节点与叶子节点
GroupNode*node1=newGroupNode;
GroupNode*node2=newGroupNode;
GroupNode*node4=newGroupNode;
GroupNode*node7=newGroupNode;
LeafNode*node3=newLeafNode;
LeafNode*node5=newLeafNode;
LeafNode*node6=newLeafNode;
LeafNode*node8=newLeafNode;
LeafNode*node9=newLeafNode;
LeafNode*node10=newLeafNode;
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SceneGraph，则节点的遍历顺序是1、2、3、4、5、6、7、8、9与10。
SceneGrpah中的叶子节点可以被多个组节点引用，如图4.2所示。
当SceneGrpah比较复杂时，节点之间的引用关系也变得复杂，因此SceneGrpah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SceneGraph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SceneGraph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-DLL\Include\Layer3\SceneNode.h和Intra3D-DLL\Layer3\SceneNode.cpp。
COM库的程序见Intra3D-COM\Layer3\SceneNode.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;
charm_strNodeName[32];
VECTORm_position,m_oldPosition;
ROTATIONm_rotation,m_oldRotation;
VECTORm_scale,m_oldScale;
Trackballm_trackball;//跟踪球
BOOLm_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（ObjectCoordinateSystem）。
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SceneGraph，为了有统一的参照系，把SceneGraph的根节点的坐标系称为世界坐标系（WorldCoordinateSystem）。
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（CameraCoordinateSystem）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
voidSetPosition（floatx,floaty,floatz）;
voidSetRotation（floatangle,floatnx,floatny,floatnz）;
voidSetScale（floatsx,floatsy,floatsz）;
//对象坐标系的图形变换函数
voidTranslate（VECTORtrans）;
voidRotate（floatangle,VECTORaxis）;
voidScale（floatsx,floatsy,floatsz）;
virtualvoidResetTransform（void）;
//相机坐标系的图形变换函数
voidTranslateInCamera（VECTORtrans）;
voidRotateInCamera（floatangle,VECTORaxis）;
voidMouseTrackStart（intiViewportWidth,intiViewportHeight,intmx,intmy）;
voidMouseTracking（intdx,intdy）;
protected:
//FWTO:
FromWorldCoordinateToObjectCoordinate
//FOTW:
FromObjectCoordinateToWorldCoordinate
//FCTO:
FromCameraToCoordinateObjectCoordinate
//FOTC:
FromObjectCoordinateToCameraCoordinate
//对象坐标系、世界坐标系、相机坐标系之间的顶点换算
voidVertexTransform_FWTO（float*x,float*y,float*z）;
voidVertexTransform_FOTW（float*x,float*y,float*z）;
voidVertexTransform_FCTO（float*x,float*y,float*z）;
voidVertexTransform_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
voidVectorTransform_FWTO（VECTOR*V）;
voidVectorTransform_FOTW（VECTOR*V）;
voidVectorTransform_FCTO（VECTOR*V）;
voidVectorTransform_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。
voidSceneNode:
:
SetPosition（floatx,floaty,floatz）
{
m_position.x=x;
m_position.y=y;
m_position.z=z;
m_oldPosition=m_position;//记录原始状态
}
voidSceneNode:
:
SetRotation（floatangle,floatnx,floatny,floatnz）
{
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
}
voidSceneNode:
:
SetScale（floatsx,floatsy,floatsz）
{
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。
voidSceneNode:
:
Translate（VECTORtrans）
{
//注意理解为什么要用VectorTransform
trans=VectorTransform（trans,m_rotation）;//见Rotation.h
m_position.x+=trans.x;
m_position.y+=trans.y;
m_position.z+=trans.z;
}
voidSceneNode:
:
Rotate（floatangle,VECTORaxis）
{
ROTATIONR（axis,angle）;
VectorNormalize（&R.axis）;
//注意理解为什么要用VectorTransform
R.axis=VectorTransform（R.axis,m_rotation）;
m_rotation=m_rotation*R;//见Rotation.h
}
voidSceneNode:
:
Scale（floatsx,floatsy,floatsz）
{
m_scale.x*=sx;
m_scale.y*=sy;
m_scale.z*=sz;
}
voidSceneNode:
:
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。
voidSceneNode:
:
TranslateInCamera（VECTORtrans）
{
if（GetType（）!
=CAMERA_NODE）
VectorTransform_FCTO（&trans）;
Translate（trans）;
}
voidSceneNode:
:
RotateInCamera（floatangle,VECTORaxis）
{
if（GetType（）!
=CAMERA_NODE）
VectorTransform_FCTO（&axis）;
Rotate（angle,axis）;
}
voidSceneNode:
:
MouseTrackStart（intwidth,intheight,intmx,intmy）
{
//计算旋转中心在窗口中的坐标
floatcx=0,cy=0,cz=0;
if（GetType（）==CAMERA_NODE）
{
cx=width/2.0;
cy=height/2.0;
}
else
{
VertexTransform_ObjectToWindow（&cx,&cy,&cz）;
cy=height-cy;//OpenGLWindow与MFCWindow在Y方向反向
}
m_trackball.SetTrackWindow（width,height,int（cx）,int（cy））;
m_trackball.Start（mx,my）;
}
voidSceneNode:
:
MouseTracking（intdx,intdy）
{
VECTORaxis;
floatangle;
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:
virtualSceneNode*Search（char*name）{returnNULL;}
virtualvoidSelected（void）{m_bSelected=TRUE;}
virtualvoidUnselected（void）{m_bSelected=FALSE;}
virtualvoidDraw（void）{};
virtualvoidDrawForMouseSelect（void）{};
voidLoadMatrix（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。
voidSceneNode:
:
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：
interfaceISceneNode:
IDispatch
{
HRESULTSetName（BSTRstrName）;
HRESULTGetName（BSTR*strName）;
HRESULTSetPosition（floatx,floaty,floatz）;
HRESULTGetPosition（[out]float*x,[out]float*y,[out]float*z）;
HRESULTSetRotation（floatangle,floatnx,floatny,floatnz）;
HRESULTGetRotation（[out]float*angle,[out]float*nx,[out]float*ny,[out]float*nz）;
HRESULTSetScale（floatsx,floatsy,floatsz）;
HRESULTGetScale（[out]float*sx,[out]float*sy,[out]float*sz）;
HRESULTSetRotateStep（floatfRotateStep）;
HRESULTGetRotateStep（[out,retval]float*step）;
HRESULTGetTranslateStep（[out,retval]float*step）;
HRESULTSetTranslateStep（floatfTransStep）;
HRESULTSetScaleStep（floatfScaleStep）;
HRESULTGetScaleStep（[out,retval]float*step）;
HRESULTResetTransform（）;
HRESULTScale（floatsx,floatsy,floatsz）;
HRESULTTranslate（floatdx,floatdy,floatdz）;
HRESULTRotate（floatangle,floatnx,floatny,floatnz）;
HRESULTTranslateInCamera（floatdx,floatdy,floatdz）;
HRESULTRotateInCamera（floatangle,floatnx,floatny,floatnz）;
HRESULTMouseTrackStart（intiViewportWidth,intiViewportHeight,intmx,intmy）;
HRESULTMouseTracking（intdx,intdy）;
HRESULTLoadMatrix（）;
HRESULTLoadInverseMatrix（）;
HRESULTLoadMatrix_FWTO（）;
HRESULTLoadMatrix_FOTW（）;
HRESULTVertexTransform_FWTO（[in,out]float*x,[in,out]float*y,[in,out]float*z）;
HRESULTVertexTransform_FOTW（[in,out]float*x,[in,out]float*y,[in,out]float*z）;
HRESULTVertexTransform_FCTO（[in,out]float*x,[in,out]float*y,[in,out]float*z）;
HRESULTVertexTransform_FOTC（[in,out]float*x,[in,out]float*y,[in,out]float*z）;
HRESULTSetParent（ISceneNode*node）;
HRESULTGetParent（[out,retval]ISceneNode**node）;
HRESULTGetType（[out,retval]EnumNodeType*type）;
HRESULTSearch（BSTRname,[out,retval]ISceneNode**node）;
HRESULTDraw（）;
HRESULTDrawForMouseSelect（）;
HRESULTSelected（）;
HRESULTUnselected（）;
HRESULTIsSelected（[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\Include\Layer3\ShapeNode.h和Intra3D-DLL\Layer3\ShapeNode.cpp。
COM库中的程序见Intra3D-COM\Layer3\ShapeNode.h和ShapeNode.cpp。
类ShapeNode的声明如下：
classShapeNode:
publicSceneNode
{
public:
voidSetBoundColor（floatred,floatgreen,floatblue）;
voidShowBoundBox（void）;
voidHideBoundBox（void）;
voidSetGraphicalObject（GraphicalObject*object）;
virtualvoidDraw（void）;
virtualvoidDrawForMouseSelect（void）;
...
protected:
virtualvoidFinalRelease（void）;//Container.h
protec
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