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最长的一帧

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最长的一帧

王锐（array）

这是一篇有关 OpenSceneGraph 源代码的拙劣教程，没有任何能赏心悦目的小例子，也

不会贡献出什么企业级的绝密的商业代码，标题也只是个噱头（坏了，没人看了^_^）。

本文写作的目的说来很简单，无非就是想要深入地了解一下，OSG 在一帧时间，也就

是仿真循环的一个画面当中都做了什么。

对 OSG 有所了解之后，我们也许可以很快地回答这个问题，正如下面的代码所示：

while (!viewer.done())

viewer.frame();

就这样，用一个循环结构来反复地执行 frame()函数，直到 done()函数的返回值为 true

为止。每一次执行 frame()函数就相当于完成了 OSG 场景渲染的一帧，配置较好的计算机可

以达到每秒钟一二百帧的速率，而通常仿真程序顺利运行的最低帧速在 15~25 帧/秒即可。

很好，看来笔者的机器运行 frame()函数通常只需要 8~10ms 左右，比一眨眼的工夫都要

短。那么本文就到此结束吗？

答案当然是否定的，恰恰相反，这篇繁琐且可能错误百出的文字，其目的正是要深入

frame()函数，再深入函数中调用的函数……一直挖掘下去，直到我们期待的瑰宝出现；当然

也可能是一无所获，只是乐在其中。

这样的探索要到什么时候结束呢？从这短短的 10 毫秒中引申出来的，无比冗长的一帧，

又是多么丰富抑或无聊的内容呢？现在笔者也不知道，也许直到最后也不会明了，不过相信

深入源代码的过程就是一种享受，希望读者您也可以同我一起享受这份辛苦与快乐。

源代码版本：OpenSceneGraph 2.6.0；操作系统环境假设为 Win32 平台。为了保证教程

的篇幅不致被过多程序代码所占据，文中会适当地改写和缩编所列出的代码，仅保证其执行

效果不变，因此可能与实际源文件的内容有所区别。

由于作者水平和精力所限，本文暂时仅对单视景器（即使用 osgViewer::Viewer 类）的

情形作出介绍。

转载请注明作者和 www.osgchina.org

本文在写作过程中将会用到一些专有名词，它们可能与读者阅读的其它文章中所述有所

差异，现列举如下：

场景图形-SceneGraph；场景子树-Subgraph；节点-Node；摄像机-Camera；渲染器-Renderer；

窗口-Window；视口-Viewport；场景-Scene；视图-View；视景器-Viewer；

漫游器-Manipulator；

访问器-Visitor；回调-Callback；事件-Event；更新-Update；筛选-Cull；绘制-Draw。

第一日

好了，在开始第一天的行程之前，请先打开您最惯用的编程工具吧：VisualStudio？

CodeBlocks？UltraEdit？SourceInsight？Emacs？Vim？或者只是附件里那个制作低劣的记事

本……总之请打开它们，打开 OpenSceneGraph-2.6.0 的源代码文件夹，打开

osgViewer/ViewerBase.cpp 这个文件……同样的话就不再重复了。但是如果您没有这样做，

而仅仅是一边聊着 QQ，一边在电话里和女朋友发着牢骚，一边还要应付突然冲进来的老板，

一边打开这篇教程的话——对不起，我想您会在 1 分钟以内就对其感到厌烦，因为它就像天

书一样，或者就像一坨乱七八糟的毛线团，只有家里那只打着哈欠的小猫可能会过来捅上一

下。

不过不用担心，如果您已经耐着性子读到了这里，并且已经看到了 ViewerBase.cpp 中总

共 752 行规规矩矩的代码，那么我会尽全力协助您继续走完漫长的一帧的旅程，并在其中把

自己所知所得（不仅仅局限于那个该死的 frame 函数，而是遍及 OSG 的方方面面）全数灌

输给您。当然也希望您尽全力给我以打压、批评和指正，我只是一个普普通通的梦想着先找

个女朋友成家立业的毛头小子而已，如果我的话全都是对的，那么那些真正的图形学权威们

一定都住在寒风刺骨的珠穆朗玛峰顶上。

好了，废话不再多说。我们这就开始。

当前位置：osgViewer/ViewerBase.cpp 第 571 行，osgViewer::ViewerBase::frame()

frame 函数的内容本身几乎一眼就可以看完。不过要注意的是，这个函数是 ViewerBase

类的成员函数，而非 Viewer 类。因此，无论对于单视景器的 Viewer 类，还是多视景器的

CompositeViewer 类，frame 函数的内容都是相同的（因为它们都没有再重写这个函数的内容）。

该函数所执行的主要工作如下：

1、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。

2、执行 advance 函数。

3、执行 eventTraversal 函数，顾名思义，这个函数将负责处理系统产生的各种事件，诸

如鼠标的移动，点击，键盘的响应，窗口的关闭等等，以及摄像机与场景图形的事件回调

（EventCallback）。

4、执行 updateTraversal 函数，这个函数负责遍历所有的更新回调（UpdateCallback）；

除此之外，它的另一个重要任务就是负责更新 DatabasePager 与 ImagePager 这两个重要的分

页数据处理组件。

5、执行 renderingTraversals 函数，这里将使用较为复杂的线程处理方法，完成场景的筛

选（cull）和绘制（draw）工作。

下面我们就按照 1~5

的顺序，开始我们的源代码解读之旅。

当前位置：osgViewer/View.cpp 第 227 行，osgViewer::View::init()

Viewer::viewerInit 函数只做了一件事，就是调用 View::init()函数，而这个 init 函数的工

作似乎也是一目了然的：无非就是完成视景器的初始化工作而已。

不过在我们离开这个函数，继续我们的旅程之前，还是仔细探究一下，这个初始化工作

到底包含了什么？

阅读某个函数的源代码过程中，如果能够大致知道这个函数的主要工作，并了解其中用

到的变量的功能，那么即使只有很少的注释内容，应该也可以顺利地读完所有代码。如果对

一些命名晦涩的变量不甚理解，或者根本不知道这个函数于运行流程中有何用途，那么理解

源代码的过程就会麻烦很多。

View::init 函数中出现了两个重要的类成员变量：_eventQueue 和_cameraManipulator，

并且还将一个 osgGA::GUIEventAdapter 的实例传入后者的初始化函数。

代码如下：

osg::ref_ptr<osgGA::GUIEventAdapter> initEvent = _eventQueue->createEvent();

initEvent->setEventType(osgGA::GUIEventAdapter::FRAME);

if (_cameraManipulator.valid())

_cameraManipulator->init(*initEvent, *this);

从变量的名称可以猜测出_eventQueue 的功能，它用于储存该视景器的事件队列。OSG

中代表事件的类是 osgGA::GUIEventAdapter，它可以用于表达各种类型的鼠标、键盘、触压

笔和窗口事件。在用户程序中，我们往往通过继承 osgGA::GUIEventHandler 类，并重写 handle

函数的方法，获取实时的鼠标/ 键盘输入，并进而实现相应的用户代码（参见

osgkeyboardmouse）。

_eventQueue 除了保存一个 GUIEventAdapter 的链表之外，还提供了一系列对链表及其

元素的操作函数，这其中，createEvent 函数的作用是分配和返回一个新的 GUIEventAdapter

事件的指针。

随后，这个新事件的类型被指定为 FRAME 事件，即每帧都会触发的一个事件。

那么，_cameraManipulator 呢？没错，它就是视景器中所用的场景漫游器的实例。通常

我们都会使用 setCameraManipulator 来设置这个变量的内容，例如轨迹球漫游器

（TrackballManipulator）可以使用鼠标拖动来观察场景，而驾驶漫游器（DriveManipulator）

则使用类似于汽车驾驶的效果来实现场景的漫游。

上面的代码将新创建的 FRAME 事件和 Viewer 对象本身传递给_cameraManipulator 的

init 函数，不同的漫游器（如 TrackballManipulator、DriveManipulator）会重写各自的 init 函

数，实现自己所需的初始化工作。如果读者希望自己编写一个场景的漫游器，那么覆写并使

用 osgGA::MatrixManipulator::init 就可以灵活地初始化自定义漫游器的功能了，它的调用时

机就在这里。

那么，回到 viewerInit 函数……很好，这次似乎没有更多的内容了。没想到一个短短的

函数竟然包含了那么多的信息，看来草率地阅读还真是使不得。

解读成果：

osgGA::EventQueue::createEvent，osgGA::MatrixManipulator::init，osgViewer::View::init，

osgViewer::Viewer::viewerInit。

悬疑列表：

无。

第二日

当前位置：osgViewer/Viewer.cpp 第 385 行，osgViewer::Viewer::realize()

Viewer::realize 函数是我们十分熟悉的另一个函数，从 OSG 问世以来，我们就习惯于在

进入仿真循环之前调用它（现在的 OSG 会自动调用这个函数，如果我们忘记的话），以完成

窗口和场景的“设置”工作。那么，什么叫做“设置”，这句简单的场景设置又包含了多少

内容呢？艰辛的旅程就此开始吧。

首先是一行：setCameraWithFocus(0)，其内容无非是设置类变量_cameraWithFocus 指向

的内容为 NULL。至于这个“带有焦点的摄像机”是什么意思，我们似乎明白，似乎又不明

白，就先放入一个“悬疑列表”（Todo List）中好了。

下面遇到的函数就比较重要了，因为我们将会在很多地方遇到它：

Contexts contexts;

getContexts(contexts);

变量 contexts 是一个保存了 osg::GraphicsContext 指针的向量组，而 Viewer::getContexts

函数的作用是获取所有的图形上下文，并保存到这个向量组中来。

对于需要将 OSG 嵌合到各式各样的 GUI 系统（如 MFC，Qt，wxWidgets 等）的朋友来

说，osg::GraphicsContext 类是经常要打交道的对象之一。一种常用的嵌入方式也许是这样实

现的：

osg::ref_ptr<osg::GraphicsContext::Traits> traits = new osg::GraphicsContext::Traits;

osg::ref_ptr<osg::Referenced> windata =

new osgViewer::GraphicsWindowWin32::WindowData(hWnd);

traits->x = 0;

traits->y = 0;

……

traits->inheritedWindowData = windata;

osg::GraphicsContext* gc = osg::GraphicsContext::createGraphicsContext(traits.get());

Camera* camera = viewer.getCamera();

camera->setGraphicsContext(gc);

……

viewer.setCamera(camera);

这个过程虽然比较繁杂，但是顺序还是十分清楚的：首先设置嵌入窗口的特性（Traits），

例如 X、Y 位置，宽度和高度，以及父窗口的句柄（inheritedWindowData）；然后根据特性

的设置创建一个新的图形设备上下文（GraphicsContext），将其赋予场景所用的摄像机。而

我们在 getContexts 函数中所要获取的，也许就包括这样一个用户建立的 GraphicsContext 设

备。

当前位置：osgViewer/Viewer.cpp 第 1061 行，osgViewer::Viewer::getContexts()

在这个函数之中，首先判断场景的主摄像机_camera 是否包含了一个有效的

GraphicsContext 设备，然后再遍历所有的从摄像机_slaves（一个视景器可以包含一个主摄像

级和多个从摄像机），将所有找到的 GraphicsContext 图形上下文设备记录下来。

随后，将这些 GraphicsContext 的指针追加到传入参数（contexts 向量组）中，并使用

std::sort 执行了一步排序的工作，所谓的排序是按照这样的原则来进行的：

1、屏幕数量较少的 GraphicsContext 设备排列靠前；

2、窗口 X 坐标较小的设备排列靠前；

3、窗口 Y 坐标较小的设备排列靠前。

如果希望观察自己的程序中所有的图形设备上下文，不妨使用这个函数来收集一下。简

单的情形下，我们的程序中只有一个主摄像机，也就只有一个 GraphicsContext 设备，它表

达了一个全屏幕的图形窗口；而 osgcamera

这个例子程序可以创建六个从摄像机，因此可以

得到六个图形上下文设备，且各个图形窗口的 X 坐标各不相同，这也正是这个例子想要表

达的。

可是，主摄像机的 GraphicsContext 呢？为什么 osgcamera 中不是七个 GraphicsContext

设备呢？答案很简单，主摄像机没有创建图形上下文，因此也就得不到设备的指针。为了理

解这个现象的原因，我们不妨先回到 realize 函数中。

当前位置：osgViewer/Viewer.cpp 第 394 行，osgViewer::Viewer::realize()

有一个显而易见的事实是：当程序还没有进入仿真循环，且对于 osgViewer::Viewer 还

没有任何的操作之时，系统是不会存在任何图形上下文的；创建一个新的 osg::Camera 对象

也不会为其自动分配图形上下文。但是，图形上下文 GraphicsContext 却是场景显示的唯一

平台，系统有必要在开始渲染之前完成其创建工作。

假设用户已经在进入仿真循环之前，自行创建了新的 Camera 摄像机对象，为其分配了

自定义的 GraphicsContext 设备，并将 Camera 对象传递给视景器，就像 osgviewerMFC 和

osgcamera 例子，以及我们在编写与 GUI 系统嵌合的仿真程序时常做的那样。此时，系统已

经不必为图形上下文的创建作任何多余的工作，因为用户不需要更多的窗口来显示自己的场

景了。所以就算主摄像机_camera 还没有分配 GraphicsContext，只要系统中已经存在图形上

下文，即可以开始执行仿真程序了。

但是，如果 getContexts 没有得到任何图形上下文的话，就说明仿真系统还没有合适的

显示平台，此时就需要尝试创建一个缺省的 GraphicsContext 设备，并再次执行 getContexts，

如果还是没能得到任何图形上下文的话，那么就不得不退出程序了。

创建缺省 GraphicsContext 设备的方法有以下几种：

1、读取 OSG_CONFIG_FILE 环境变量的内容：如果用户在这个环境变量中定义了一个

文件路径的话，那么系统会尝试用 osgDB::readObjectFile 函数读入这个文件，使用 cfg 插件

进行解析；如果成功的话，则调用 osgViewer::Viewer::take 函数，使用配置信息设置当前的

视景器。这些工作在 osgViewer::Viewer::readConfiguration 函数中实现。

2、读取 OSG_WINDOW 环境变量的内容：如果用户以“x y w h”的格式在其中定义了

窗口的左上角坐标（x，y）和尺寸（w，h）的话（注意要以空格为分隔符），系统会尝试使

用 osgViewer::View::setUpViewInWindow 函数来创建设备。

3、读取 OSG_SCREEN 环境变量的内容：如果用户在其中定义了所用屏幕的数量的话，

系统会尝试用 osgViewer::View::setUpViewOnSingleScreen 函数，为每一个显示屏创建一个全

屏幕的图形窗口；如果同时还设置了 OSG_WINDOW，那么这两个环境变量都可以起到作

用，此时将调用 setUpViewInWindow 函数。

4、如果上述环境变量都没有设置的话（事实上这也是最常见的情况），那么系统将调用

osgViewer::View::setUpViewAcrossAllScreens 函数，尝试创建一个全屏显示的图形设备。

那么，下文就从这几种图形设备建立的方法开始。至于后面的路，果然遥遥无期呢。

解读成果：

osgViewer::Viewer::getContexts，osgViewer::Viewer::readConfiguration。

悬疑列表：

类变量_cameraWithFocus 的意义是什么？

第三日

当前位置：osgViewer/View.cpp 第 575 行，osgViewer::View::setUpViewInWindow()

这个函数有五个传入参数：窗口左上角坐标 x，y，宽度 width，高度 height，以及屏幕

数 screenNum。它的作用顾名思义是根据给定的窗口参数来创建一个图形设备。

首先函数将尝试获取 osg::DisplaySettings 的指针，这个类在 OSG 的窗口显示中扮演了

重要的地位：它保存了 OSG 目前用到的，与图形显示，尤其是立体显示有关的所有信息，

主要包括：

_displayType：显示器类型，默认为 MONITOR（监视器），此外还支持 POWERWALL

（威力墙），REALITY_CENTER（虚拟实境中心）和 HEAD_MOUNTED_DISPLAY（头盔

显示器）。

_stereoMode：立体显示模式，默认为 ANAGLYPHIC （互补色），此外还支持

dfl8406

2023-06-07

这个资源值得下载，资源内容详细全面，与描述一致，受益匪浅。

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