OpenSceneGraph 中的 osg::Transform详解

osg::Transform 是 OpenSceneGraph 中用于实现空间变换的基类，它提供了一种在场景图中应用各种变换（平移、旋转、缩放等）的机制。

一、Transform 基本概念

1. 核心特性

• 继承关系：继承自 osg::Group

• 主要功能：对子节点应用空间变换

• 两种模式：

  • 相对变换 (RELATIVE_RF)：相对于父节点的变换（默认）

  • 绝对变换 (ABSOLUTE_RF)：忽略父节点变换，直接使用世界坐标系

2. 派生类

• osg::MatrixTransform - 使用矩阵进行变换

• osg::PositionAttitudeTransform - 使用位置/姿态进行变换

• osg::AutoTransform - 自动面向相机的变换

二、MatrixTransform 详解

1. 基本用法

// 创建MatrixTransform节点
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> mt = new osg::MatrixTransform;

// 设置变换矩阵
mt->setMatrix(osg::Matrix::translate(10.0f, 0.0f, 0.0f)); // 平移

// 添加子节点
mt->addChild(childNode);

2. 组合变换

osg::Matrix m;
m.makeIdentity();
m *= osg::Matrix::translate(5.0f, 0.0f, 0.0f);  // 平移
m *= osg::Matrix::rotate(osg::PI_2, osg::Z_AXIS); // 旋转90度
m *= osg::Matrix::scale(2.0f, 1.0f, 1.0f);      // 非均匀缩放

mt->setMatrix(m);

3. 获取逆矩阵

osg::Matrix inverse = mt->getInverseMatrix();

三、PositionAttitudeTransform 详解

1. 基本用法

osg::ref_ptr<osg::PositionAttitudeTransform> pat = new osg::PositionAttitudeTransform;

// 设置位置
pat->setPosition(osg::Vec3(5.0f, 3.0f, 0.0f));

// 设置姿态（四元数旋转）
pat->setAttitude(osg::Quat(osg::PI_4, osg::Z_AXIS)); // 绕Z轴旋转45度

// 设置缩放
pat->setScale(osg::Vec3(1.5f, 1.5f, 1.5f)); // 均匀缩放1.5倍

// 设置中心点（缩放/旋转的参考点）
pat->setPivotPoint(osg::Vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));

pat->addChild(childNode);

2. 与MatrixTransform对比

特性	MatrixTransform	PositionAttitudeTransform
易用性	需要矩阵运算	更直观的参数设置
性能	稍高	稍低（内部转换为矩阵）
适用场景	复杂变换组合	简单的位置/旋转/缩放

四、Transform 高级应用

1. 变换回调（动画）

class RotationCallback : public osg::NodeCallback {
public:
    virtual void operator()(osg::Node* node, osg::NodeVisitor* nv) {
        osg::MatrixTransform* mt = dynamic_cast<osg::MatrixTransform*>(node);
        if (mt) {
            static double angle = 0.0;
            angle += 0.01;
            mt->setMatrix(osg::Matrix::rotate(angle, osg::Z_AXIS));
        }
        traverse(node, nv);
    }
};

// 应用回调
mt->setUpdateCallback(new RotationCallback);

2. 绝对变换示例

// 创建一个不受父节点变换影响的节点
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> absoluteTransform = new osg::MatrixTransform;
absoluteTransform->setReferenceFrame(osg::Transform::ABSOLUTE_RF);
absoluteTransform->setMatrix(osg::Matrix::translate(0.0f, 0.0f, 10.0f));

3. 层级变换

// 创建变换层级
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> parentTransform = new osg::MatrixTransform;
parentTransform->setMatrix(osg::Matrix::translate(10.0f, 0.0f, 0.0f));

osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> childTransform = new osg::MatrixTransform;
childTransform->setMatrix(osg::Matrix::rotate(osg::PI_2, osg::Z_AXIS));

parentTransform->addChild(childTransform);
childTransform->addChild(geometryNode); // 实际几何体

五、性能优化技巧

1. 静态变换优化：

   mt->setDataVariance(osg::Object::STATIC); // 声明为静态不变化

2. 合并静态变换：

   osgUtil::Optimizer optimizer;
   optimizer.optimize(rootNode, osgUtil::Optimizer::FLATTEN_STATIC_TRANSFORMS);

3. 避免频繁矩阵计算：

   // 预计算复杂矩阵
   osg::Matrix complexMatrix = computeComplexMatrix();
   mt->setMatrix(complexMatrix);

六、实际应用案例

1. 太阳系模型

// 太阳（中心）
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> sun = new osg::MatrixTransform;
sun->addChild(createSphere(5.0f));

// 地球绕太阳旋转
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> earthOrbit = new osg::MatrixTransform;
earthOrbit->setUpdateCallback(new OrbitCallback(10.0f, 2.0)); // 半径10m，周期2秒

osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> earth = new osg::MatrixTransform;
earth->addChild(createSphere(1.0f));
earth->setMatrix(osg::Matrix::translate(10.0f, 0.0f, 0.0f));

earthOrbit->addChild(earth);
sun->addChild(earthOrbit);

// 月球绕地球旋转
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> moonOrbit = new osg::MatrixTransform;
moonOrbit->setUpdateCallback(new OrbitCallback(3.0f, 0.5)); // 半径3m，周期0.5秒

osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> moon = new osg::MatrixTransform;
moon->addChild(createSphere(0.3f));
moon->setMatrix(osg::Matrix::translate(3.0f, 0.0f, 0.0f));

moonOrbit->addChild(moon);
earth->addChild(moonOrbit);

2. 第一人称相机控制

class CameraUpdateCallback : public osg::NodeCallback {
public:
    virtual void operator()(osg::Node* node, osg::NodeVisitor* nv) {
        osg::MatrixTransform* mt = dynamic_cast<osg::MatrixTransform*>(node);
        if (mt) {
            osg::Matrix mat;
            mat.makeTranslate(_position);
            mat.preMultRotate(_orientation);
            mt->setMatrix(mat);
        }
        traverse(node, nv);
    }
    
    void moveForward(float distance) {
        _position += _orientation * osg::Vec3(0.0f, distance, 0.0f);
    }
    
    void rotate(float angleX, float angleY) {
        _orientation *= osg::Quat(angleX, osg::X_AXIS);
        _orientation *= osg::Quat(angleY, osg::Z_AXIS);
    }
    
private:
    osg::Vec3 _position;
    osg::Quat _orientation;
};

// 使用
osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> cameraTransform = new osg::MatrixTransform;
cameraTransform->setUpdateCallback(new CameraUpdateCallback);
viewer->setCameraManipulator(new osgGA::TrackballManipulator);

七、常见问题与调试

1. 变换顺序问题

• 问题：矩阵乘法顺序错误导致意外结果

• 解决：记住OSG使用前乘（preMult）顺序

2. 调试变换矩阵

// 打印当前变换矩阵
osg::Matrix mat = mt->getMatrix();
std::cout << "Transform Matrix: " << mat << std::endl;

// 可视化变换轴
osg::ref_ptr<osg::Geode> axis = createAxesGeode(2.0f);
mt->addChild(axis);

3. 性能分析

osgviewer your_scene.osgb --stats
# 查看 "Transform" 相关的统计信息

osg::Transform 及其派生类是OSG场景图的核心组件，合理使用可以实现复杂的场景层次和动画效果，同时保持高效的渲染性能。