显示渲染-OSG框架解析

1.背景介绍

1.1 OSG介绍

OSG的全称：OpenSceneGraph，它是一个开放源码，跨平台的图形开发包，它为诸如飞行器仿真，游戏，虚拟现实，科学计算可视化这样的高性能图形应用程序开发而设计。

它基于场景图的概念，它提供一个在OpenGL之上的面向对象的框架，从而能把开发者从实现和优化底层图形的调用中解脱出来，并且它为图形应用程序的快速开发提供很多附加的实用工具。

基于OSG的典型应用：Delta3D(美国海军研究院开发的全功能游戏与仿真引擎）、osgEarth(三维数字地球引擎库）

1.2 LOD介绍

是指根据物体模型的结点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。在OSG的场景结点组织结构中，专门提供了场景结点osg::LOD来表达不同的细节层次模型。其中，osg::LOD结点作为父节点，每个子节点作为一个细节层次，设置不同的视域，在不同的视域下显示相应的子节点。

主要3个过程：生成，切换，选择。
最主要的问题：如何实现平滑过渡。

实现方式：最差的方式是后台准备多个模型，根据距离直接切换，缺点是切换时感觉突兀。
（1）线性混合方式：对两个离散层级的模型进行混合，缺点是加大系统内存和计算开销
（2）透明度混合：在临切时，一个逐步透明，另一个逐步显示，淡入淡出。
（3）最优方式：实时算法，将相邻顶点或边进行合并，靠算法进行模型数据坍处理，逐步坍塌顶点，离得越远，模型越小。
一般LOD都是根据距离来做切换过渡的，少数基于时间和投影面积等其他特定需求的.

2.渲染框架

2.1 帧渲染机制

Update 更新 Cull 筛选 Draw 绘制
渲染帧：每一次场景更新，筛选，绘制的过程。
advance()：一帧经历的时间、帧数以及弃用对象的删除，获取帧率及显示状态信息等；
eventTraversal()：执行用户设置的EventCallback，为所有的用户交互和系统事件提供一个响应的机制；它必须在每一帧的仿真过程中，取出已经发生的所有事件，摒弃那些对场景不会有助益的（例如，在视口以外发生的鼠标移动事件和胡乱点击），依次交付给各个事件处理器（ EventVistor事件遍历器），最后清空现有的事件队列eventQueue ，等待下一帧的到来。
updateTraversal()：处理用户的更新回调对象之外，还要负责更新摄像机的位置，并且更新分页数据库DatabasePager 和图像库ImagePager 的内容。
更新回调与事件回调最大的不同在于：每当一个用户交互或系统事件产生时，每一个节点（以及Drawable 对象）的事件回调都会被调用一次；而节点（以及Drawable 对象）的更新回调只会在每帧中被调用一次（ NodeVistor 节点遍历器）。这一区别决定了我们应当在什么时候使用事件回调，以及在什么时候使用更新回调。
renderingTraversals()：场景的渲染遍历工作。

2.2 更新机制

2.3 视景管理

2.4 数据分页管理

分为DatabasePager管理和ImagePager管理。

在三维场景中可以采用数据分页的方式进行动态调度。这里“分页”的意思是随着视口范围的变化，场景只加载和渲染当前视口范围内数据，并将离开视口范围内的数据清除内存（可以设定不同的数据卸载策略），不再渲染。保证内存中只有有限的数据量，场景的每一帧也只有有限的数据被送到图形渲染管道，从而提高渲染性能。

执行时机

在每一帧刷新的节点更新回调中处理

动态调度

OSG源代码中提供PagedLOD来进行模型的动态调度。在不同的视域下，PagedLOD动态读取不同细节层次的结点模型，实现了分页LOD显示。OSG内部采用osgDB::DatabasePager类来管理场景结点的动态调度，场景循环每一帧的时候，会将一段时间内不在当前视图范围内的场景子树卸载掉，并加载新进入到当前视图范围的新场景子树。OSG采用了多线程的方式来完成上述工作。

具体工作步骤：

在每一帧中通过一个UpdateSceneGraph()来进行动态调度。
DatabasePager::removeExpiredSubgraphs：用于去除已经过期的场景子树；
DatabasePager::addLoadedDataToSceneGraph：用于向场景图形中添加新载入的数据。osgDB::DatabasePager 类执行的是这一工作：每一帧的更新遍历执行到updateSceneGraph 函数时，都会自动将“一段时间之内始终不在当前页面上”的场景子树去除，并将“新载入到当前页面”的场景子树加入渲染，这里所说的“页面”往往指的就是用户的视野范围。这些分页和节点管理的工作如果由渲染循环来完成的话，恐怕是费时又费力的，对于场景的显示速度有较大的影响，因此，DatabasePager 中内置了专用于相关工作处理的DatabaseThread 线程。