Implementation Model Editor of AVEVA in OpenSceneGraph
eryar@163.com
摘要Abstract：本文主要對(duì)工廠和海工設(shè)計(jì)軟件AVEVA的交互方式進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)OpenSceneGraph中的人機(jī)交互工具拖拽器進(jìn)行說明，并在其中實(shí)現(xiàn)了模型直接交互操作。對(duì)交互建模感興趣的讀者可結(jié)合其源代碼，對(duì)其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。
關(guān)鍵字Key Words：AVEVA, Model Editor, OpenSceneGraph, Dragger
一、引言 Introduction
在當(dāng)代的三維輔助設(shè)計(jì)軟件中，交互建模設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主流。友好、高效的對(duì)三維模型直接進(jìn)行編輯或修改，不僅可以提高用戶的工作效率，還會(huì)給用戶留下美好印象，即軟件良好的用戶體驗(yàn)。交互建模的常見方法有：拖曳、約束、柵格捕捉、橡皮筋方法、引力場(chǎng)等，拖曳就是直接對(duì)選擇的模型在三維空間中拖動(dòng)來改變位置和方向；約束方法就是在拖曳的時(shí)候添加約束條件，如只能沿某個(gè)方向進(jìn)行拖曳，軟件中的應(yīng)用有AutoCAD中的極軸捕捉功能；柵格捕捉也是一種帶約束的拖曳，即拖曳的過程中只能沿正交網(wǎng)格中直線的交點(diǎn)拖動(dòng)；橡皮筋方法主要用在繪制二維圖形；引力場(chǎng)方法就像AutoCAD中的磁吸功能。如何設(shè)計(jì)高效、友好、方便的用戶接口是當(dāng)前各開發(fā)系統(tǒng)的廠家和專家所共同關(guān)心的問題，它的設(shè)計(jì)好壞可能直接影響用戶是否接受其產(chǎn)品。
本文主要對(duì)工廠和海工設(shè)計(jì)軟件AVEVA的交互方式進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)OpenSceneGraph中的人機(jī)交互工具拖拽器進(jìn)行說明，并在其中實(shí)現(xiàn)了模型直接交互操作。通過程序?qū)嵺`，感覺使用OpenSceneGraph來進(jìn)行編碼還是很舒服的，因?yàn)槠浯a規(guī)范，設(shè)計(jì)很好。對(duì)交互建模感興趣的讀者可結(jié)合其源代碼，對(duì)其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。
二、模型編輯器Model Editor of AVEVA
AVEVA（原CADCENTRE）是國(guó)際著名的工廠工程信息技術(shù)企業(yè)，成立于1967年，總部設(shè)在英國(guó)劍橋；AVEVA所提供的工廠工程一體化解決方案涵蓋了陸地和海洋石油天然氣、電力、石化、化工、核電、造船、環(huán)保、造紙、制藥、冶金、礦山等多個(gè)行業(yè)，同時(shí)提供專業(yè)工廠工程技術(shù)咨詢、技術(shù)服務(wù)和本地化可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用開發(fā)。 AVEVA是目前全球發(fā)展最快的工廠工程信息技術(shù)企業(yè)之一，1996年在英國(guó)倫敦上市，2007財(cái)年年產(chǎn)值超過25億美元。AVEVA在全球擁有超過1600名用戶，每天有超過26,000名工程人員在使用AVEVA的解決方案。AVEVA在世界30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)設(shè)有超過50個(gè)常駐辦事機(jī)構(gòu)，在英國(guó)劍橋總部及其他研發(fā)中心擁有超過300名研究和開發(fā)人員，為世界上最大的工廠工程信息技術(shù)研究和開發(fā)團(tuán)隊(duì)。AVEVA的快速發(fā)展與其方便易用，良好的交互建模方式分不開，本文主要對(duì)其交互建模部分進(jìn)行介紹。
AVEVA交互建模主要是使用模型編輯器Model Editor，使用Model Editor可以只用鼠標(biāo)就可以進(jìn)行建模設(shè)計(jì)了。編輯選擇的模型如下圖所示：
Figure 2.1 Model Editor on a Equipment
使用的Handle可以對(duì)模型多種方式的編輯，如軸向移動(dòng)、平面移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等，如下圖所示：
Figure 2.2 Locator Handle of Model Editor
2.1 移動(dòng) Movement
對(duì)選擇的模型進(jìn)行軸向移動(dòng)或平面移動(dòng)時(shí)，可以使用Model Editor的Linear and Planar handles。沿軸向或鎖定在某個(gè)平面上拖動(dòng)模型，即可以移動(dòng)模型。移動(dòng)是按一定的長(zhǎng)度遞增的，可由移動(dòng)增量（the Movement Increment）來設(shè)置，這樣來確保拖動(dòng)模型相對(duì)初始位置的精度。選中handle上某個(gè)軸，就可以沿這個(gè)軸的方向來移動(dòng)模型，如下圖所示：
Figure 2.3 Linear Movement
選中并拖動(dòng)Model Editor的平面移動(dòng)handle，就可以在鎖定的平面上移動(dòng)模型，如下圖所示：
Figure 2.4 Planar Movement
2.2 旋轉(zhuǎn) Rotation
旋轉(zhuǎn)是通過Model Editor的Rotation handle來完成的。旋轉(zhuǎn)是按一定的角度來遞增的，可由旋轉(zhuǎn)增量（the Rotation Increment）來設(shè)置。這樣就確保了旋轉(zhuǎn)相對(duì)于初始位置的精度。選中并拖動(dòng)Rotation handle，就可以對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)了，如下圖所示：
Figure 2.5 Rotation
Figure 2.6 Use Model Editor to Modify a Valve
交互建模時(shí)使用Model Editor如上圖2.6所示，由圖可知，在AVEVA中對(duì)模型的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)非常方便。
2.3 對(duì)齊 Alignment
通過對(duì)齊功能，可以方便地將模型對(duì)齊到點(diǎn)、邊或面，如下圖所示：
Figure 2.7 Alignment features
通過上文對(duì)AVEVA中的Model Editor的介紹可知，在AVEVA中三維交互建模很方便，且精度高。縱觀國(guó)內(nèi)目前類似產(chǎn)品，有些還停留在二維建模方式，有些借助于其他平臺(tái)的交互方法，但是在易用性上感覺都稍有不足，或沒有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
三、拖拽器Dragger of OpenSceneGraph
1997年，一個(gè)名叫Don Burns的軟件工程師受雇于當(dāng)時(shí)的Silicon Graphics(SGI)公司，負(fù)責(zé)針對(duì)滑翔機(jī)飛行的虛擬仿真工作進(jìn)行研究。他使用當(dāng)時(shí)的OpenGL Performer系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套廣受好評(píng)的滑翔仿真軟件，并開始嘗試在Linux中使用Mesa3D和3dfx Voodoo顯卡設(shè)備繼續(xù)完善自己的仿真軟件。
1998年，Don在一個(gè)滑翔愛好者的郵件組中遇到了Robert Osfield，也就是目前OpenSceneGraph項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人。當(dāng)時(shí)Robert在蘇格蘭的油氣公司工作，但對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和可視化技術(shù)有著濃厚的興趣。志趣相投的兩個(gè)人走到了一起，開始合作對(duì)Don的仿真軟件進(jìn)行改善。Robert建議將SG作為獨(dú)立的開源場(chǎng)景圖形項(xiàng)目繼續(xù)開發(fā)，并由自己擔(dān)任項(xiàng)目主導(dǎo)，項(xiàng)目的名稱改為OpenSceneGraph，簡(jiǎn)稱OSG。
如今，相當(dāng)一部分高性能的軟件已經(jīng)使用了OSG來完成復(fù)雜場(chǎng)景的渲染工作。大部分基于OSG的軟件開發(fā)更適用于可視化設(shè)計(jì)和工業(yè)仿真，包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、建模和數(shù)字媒體創(chuàng)作（DCC）及數(shù)據(jù)庫開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫、游戲和娛樂業(yè)等。
OpenSceneGraph引擎由一系列圖形學(xué)相關(guān)的功能模塊組成，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場(chǎng)景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能。它使用可移植的ANSI C++編寫，并使用已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL底層渲染API。OSG具備跨平臺(tái)的特性，可以運(yùn)行在大多數(shù)類型的操作系統(tǒng)上，并使用抽象層的概念，使OSG的函數(shù)接口可以獨(dú)立于用戶的本地操作系統(tǒng)使用。OSG遵循開源協(xié)議發(fā)布，其用戶許可方式是一種修改過的GNU寬通用公共許可證（GNU Lesser General Public License, LGPL），稱為OSGPL。OSG主要具備以下優(yōu)勢(shì)：快速開發(fā)，高品質(zhì)，高性能，高質(zhì)量代碼，可擴(kuò)展性，可移植性，低費(fèi)用，沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，但是OSG目前也存在諸多不足，如參考文檔較少、代碼風(fēng)格不統(tǒng)一、部分功能的實(shí)現(xiàn)過于臃腫，無法應(yīng)用于實(shí)踐等，這些都有待更多的開發(fā)者和貢獻(xiàn)者去發(fā)現(xiàn)和完善。
三維用戶交互是一種與三維環(huán)境本身特性相匹配的交互動(dòng)作，可使用戶在虛擬場(chǎng)景中獲得身臨其境的直觀感受。三維世界的交互技術(shù)相當(dāng)于一種“控制－顯示”的映射，用戶設(shè)備（例如鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿等）向系統(tǒng)輸入控制信息，然后系統(tǒng)向用戶輸出執(zhí)行結(jié)果。三維交互涉及的任務(wù)繁多，包括三維場(chǎng)景對(duì)象的選擇和操控、三維世界中的導(dǎo)航漫游、改變?nèi)S場(chǎng)景的狀態(tài)，乃至?xí)r下流行的三維交互建模等。作為一款全面的實(shí)時(shí)渲染引擎，OSG實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的漫游及場(chǎng)景中三維對(duì)象的操控這兩種主要的三維場(chǎng)景交互方式，更多的交互動(dòng)作則需要我們自行研究和實(shí)現(xiàn)。
作為重要的三維空間的人機(jī)交互手段之一，場(chǎng)景漫游的特點(diǎn)是通過不斷改變觀察者（相機(jī)）的位置、姿態(tài)，使其相對(duì)世界的觀察方位和角度有所變化，但是世界本身卻不會(huì)發(fā)生任何改變。無論草木、建筑，還是街道上的車水馬龍，構(gòu)成它們的每一個(gè)頂點(diǎn)都沒有發(fā)生任何偏移，如果觀察者有朝一日回到原地的話，他眼中的一切都不會(huì)發(fā)生改變。
而對(duì)于三維物體的操控則是另一種概念，它沒有改變觀察者的視角和視點(diǎn)，而是根據(jù)用戶傳遞的交互事件，對(duì)選中的對(duì)象進(jìn)行平移、縮放和旋轉(zhuǎn)操作，就像是玩弄橡皮泥一樣。被修整過的對(duì)象將改變?cè)械男螒B(tài)，換句話說，只要不恢復(fù)到操控前的狀態(tài)，那么無論從什么地方進(jìn)行觀察，這個(gè)對(duì)象都將維持它最終的模樣。當(dāng)然，即使操控物體的定義如此，直接修改物體的頂點(diǎn)坐標(biāo)未免還是有些費(fèi)力不討好，最好的方式是為要操控的物體設(shè)置一個(gè)矩陣變換的父節(jié)點(diǎn)（MatrixTransform），通過改變這個(gè)父節(jié)點(diǎn)的變換矩陣的值，進(jìn)行改變作為操控對(duì)象的子節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)形式—這就是osgManipulator庫中拖拽器（Dragger）的實(shí)現(xiàn)方式。OSG內(nèi)置了幾種拖拽器，其操作方式和效果說明如下：
l TabPlaneDragger平面拖拽器：其邊、頂點(diǎn)上都有拖拽點(diǎn)，可以進(jìn)行某個(gè)2D平面上的縮放；
Figure 3.1 TabPlaneDragger in OpenSceneGraph
l TabPlaneTrackballDragger平面軌跡球拖拽器：顧名思義除了平面拖拽器的功能外，還多了個(gè)軌跡球拖拽功能；
Figure 3.2 TabPlaneTrackballDragger in OpenSceneGraph
l TrackballDragger軌跡球拖拽器：即旋轉(zhuǎn)操縱器，沒有縮放功能；
Figure 3.3 TrackballDragger in OpenSceneGraph
l Translate1DDragger一維平移拖拽器：沿一個(gè)直線進(jìn)行拖拽；
Figure 3.4 Translate1DDragger in OpenSceneGraph
l Translate2DDragger二維平移拖拽器：在某個(gè)平面上對(duì)模型進(jìn)行拖拽；
Figure 3.5 Translate2DDragger in OpenSceneGraph
l TranslateAxisDragger三維平移拖拽器：可在三個(gè)方向上對(duì)模型進(jìn)行拖拽；
Figure 3.6 TranslateAxisDragger in OpenSceneGraph
l TabBoxDragger盒式拖拽器：由六個(gè)平面拖拽器構(gòu)成，可在各個(gè)面上進(jìn)行縮放、平移；
Figure 3.7 TabBoxDragger in OpenSceneGraph
還有其他的拖拽器可以參考其源代碼：
n ScaleAxisDragger：三維縮放拖拽器；
n Scale2DDragger：二維縮放拖拽器；
n Scale1DDragger一維縮放拖拽器；
n RotateSphereDragger：旋轉(zhuǎn)球拖拽器；
n RotateCylinderDragger旋轉(zhuǎn)圓柱拖拽器；
由于使用了組合模式（CompositeDragger），可將上面的拖拽器組合成更復(fù)雜的拖拽器。如三維平稱拖拽器（TranslateAxisDragger）就是包含了三個(gè)一維拖拽器（Translate1DDragger）的組合拖拽器。因?yàn)槌绦蜷_源，所以可根據(jù)實(shí)際需要，將拖拽器進(jìn)行自定義。即可以定義出和AVEVA的Model Editor完全一樣的操縱器。
四、示例程序 Example Code
要對(duì)場(chǎng)景中的模型進(jìn)行拖拽，首先需要將其選中，然后在選中的模型上打開拖拽器，對(duì)模型的位置和方向進(jìn)行編輯。對(duì)象的拾取主要依靠場(chǎng)景圖形的交運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。拖拽器中用到的一個(gè)類PointerInfo表示一個(gè)信息的集合。例如，使用鼠標(biāo)選中待操作對(duì)象上的某個(gè)點(diǎn)，以及當(dāng)前相機(jī)的觀察矩陣和投影矩陣等，都需要及時(shí)反映到這個(gè)輸入?yún)?shù)中，以便拖拽器根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷并生成命令。下面給出一個(gè)使用拖拽器Dragger來操作場(chǎng)景中模型的具體實(shí)例，程序代碼如下所示：
1.首先定義了一個(gè)帶拖拽器的節(jié)點(diǎn)ModelShape：
#pragma once
#include <osg/Group>
#include <osgManipulator/Selection>
#include <osgManipulator/CommandManager>
#include <osgManipulator/TrackballDragger>
#include <osgManipulator/TranslateAxisDragger>
class ModelShape : public osg::Group
{
public:
ModelShape(osg::Node* shape);
~ModelShape(void);
void EnableDragger(void);
void DisableDragger(void);
private:
osg::ref_ptr<osg::Node> mShape;
osg::ref_ptr<osgManipulator::Dragger> mDragger;
osg::ref_ptr<osgManipulator::Selection> mSelection;
};
類實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
#include "ModelShape.h"
ModelShape::ModelShape(osg::Node* shape)
: mShape(shape)
, mDragger(new osgManipulator::TranslateAxisDragger())
, mSelection(new osgManipulator::Selection())
{
float scale = shape->getBound().radius() * 1.6;
mDragger->setMatrix(osg::Matrix::scale(scale, scale, scale) *
osg::Matrix::translate(shape->getBound().center()));
mDragger->setupDefaultGeometry();
mSelection->addChild(shape);
addChild(mSelection);
}
ModelShape::~ModelShape(void)
{
}
void ModelShape::EnableDragger()
{
addChild(mDragger);
mDragger->addTransformUpdating(mSelection);
mDragger->setHandleEvents(true);
}
void ModelShape::DisableDragger()
{
removeChild(mDragger);
mDragger->removeTransformUpdating(mSelection);
mDragger->setHandleEvents(false);
}
2.在處理選擇事件時(shí)，打開拖拽器，實(shí)現(xiàn)類是PickHandler：
#pragma once
#include <osgGA/GUIEventHandler>
class PickHandler : public osgGA::GUIEventHandler
{
public:
PickHandler(void);
~PickHandler(void);
virtual bool handle(const osgGA::GUIEventAdapter& ea, osgGA::GUIActionAdapter& aa);
protected:
void pick(const osgGA::GUIEventAdapter& ea, osgGA::GUIActionAdapter& aa);
private:
float mX;
float mY;
bool mEnableDragger;
};
類實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：
#include "PickHandler.h"
#include "ModelShape.h"
#include <osgViewer/Viewer>
PickHandler::PickHandler(void)
: mX(0.0f)
, mY(0.0f)
, mEnableDragger(true)
{
}
PickHandler::~PickHandler(void)
{
}
bool PickHandler::handle(const osgGA::GUIEventAdapter &ea, osgGA::GUIActionAdapter &aa)
{
osgViewer::View* view = dynamic_cast<osgViewer::View*> (&aa);
if (NULL == view)
{
return false;
}
switch (ea.getEventType())
{
case osgGA::GUIEventAdapter::PUSH:
{
mX = ea.getX();
mY = ea.getY();
}
break;
case osgGA::GUIEventAdapter::RELEASE:
{
if (ea.getX() == mX && ea.getY() == mY)
{
pick(ea, aa);
}
}
break;
case osgGA::GUIEventAdapter::KEYDOWN:
{
if (ea.getKey() == 'd')
{
mEnableDragger = !mEnableDragger;
}
}
break;
default:
break;
}
return false;
}
void PickHandler::pick(const osgGA::GUIEventAdapter &ea, osgGA::GUIActionAdapter &aa)
{
osgViewer::View* view = dynamic_cast<osgViewer::View*> (&aa);
osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections hits;
if (view->computeIntersections(ea.getX(), ea.getY(), hits))
{
osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersection intersection = *hits.begin();
osg::NodePath& nodePath = intersection.nodePath;
int nNodeSize = static_cast<int> (nodePath.size());
if (nNodeSize > 0)
{
osg::Node* node = nodePath[nNodeSize - 1];
osg::Node* grandParent = node->getParent(0)->getParent(0);
// This method maybe not right?
ModelShape* shape = dynamic_cast<ModelShape*> (grandParent);
if (shape)
{
mEnableDragger ? shape->EnableDragger() : shape->DisableDragger();
}
}
}
}
3.在主函數(shù)中建立場(chǎng)景：
/*
* Copyright (c) 2013 eryar All Rights Reserved.
*
* File : Main.cpp
* Author : eryar@163.com
* Date : 2013-12-28 17:00
* Version : 1.0v
*
* Description : Use dragger to manipulate shape objects.
* press key 'd' for enable or disable the dragger.
*
* Key Words : OpenSceneGraph, Dragger
*
*/
#include <osgDB/ReadFile>
#include <osgGA/StateSetManipulator>
#include <osgViewer/Viewer>
#include <osgViewer/ViewerEventHandlers>
#include "ModelShape.h"
#include "PickHandler.h"
#pragma comment(lib, "osgd.lib")
#pragma comment(lib, "osgDBd.lib")
#pragma comment(lib, "osgGAd.lib")
#pragma comment(lib, "osgViewerd.lib")
#pragma comment(lib, "osgManipulatord.lib")
int main(void)
{
osgViewer::Viewer viewer;
osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group();
// build the scene with boxes and gliders.
for (int i = 1; i < 10; ++i)
{
for (int j = 1; j < 10; ++j)
{
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> box = new osg::MatrixTransform();
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> glider = new osg::MatrixTransform();
box->setMatrix(osg::Matrix::translate(i * 6.0, j * 6.0, 0.0));
glider->setMatrix(osg::Matrix::translate(i * 2.5, j * 2.5, 6.0));
box->addChild(new ModelShape(osgDB::readNodeFile("box.stl")));
glider->addChild(new ModelShape(osgDB::readNodeFile("glider.osg")));
root->addChild(box);
root->addChild(glider);
}
}
viewer.setSceneData(root.get());
viewer.addEventHandler(new osgViewer::StatsHandler());
viewer.addEventHandler(new osgViewer::WindowSizeHandler());
viewer.addEventHandler(new osgGA::StateSetManipulator(viewer.getCamera()->getOrCreateStateSet()));
// add pick event handler to add dragger on the shape.
viewer.addEventHandler(new PickHandler());
return viewer.run();
}
程序使用方法為選擇要拖拽的模型，選中后為模型打開拖拽器，使用拖拽器對(duì)模型進(jìn)行拖拽就可以修改模型的位置了。在鍵盤上按下‘d’可以打開/關(guān)閉拖拽器，默認(rèn)為打開。當(dāng)設(shè)置為關(guān)閉時(shí)，再選中帶有拖拽器的模型后，將會(huì)關(guān)閉拖拽器。程序運(yùn)行效果如下圖所示：
Figure 3.8 Use TranslateAxisDragger to drag box
Figure 3.9 Use TranslateAxisDragger to drag glider
Figure 3.10 Use TranslateAxisDragger in OpenSceneGraph
五、結(jié)論 Conclusion
通過程序?qū)嵺`表明，OpenSceneGraph中的人機(jī)交互的方式還是很方便的，并提供了幾種拖拽器來操縱模型。并且拖拽器采用了組合模式，便于擴(kuò)展，即根據(jù)用戶實(shí)際需要組合出更復(fù)雜或更具個(gè)性的拖拽器。
由此可見，使用OpenSceneGraph來對(duì)模型進(jìn)行顯示與操作很方便，且是開源程序，方便程序調(diào)試，還不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問題。因?yàn)镺penSceneGraph主要是用于虛擬仿真，還提供了很多仿真效果，如煙霧、火焰、粒子效果（雨、雪、爆炸）、動(dòng)畫等，如果在建模設(shè)計(jì)的過程中適量添加部分效果，是不是很cool？
六、參考資料 References
1. AVEVA，Graphical Model Manipulation Guide
2. Donald Hearn，M. Pauline Baker，Computer Graphics with OpenGL，電子工業(yè)出版社
3. 何援軍，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社
4. 王銳，錢學(xué)雷，OpenSceneGraph三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)踐，清華大學(xué)出版社
5. 肖鵬，劉更代，徐明亮，OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南，清華大學(xué)出版社