Implementation Model Editor of AVEVA in OpenSceneGraph

時間 2019-11-12

標籤 implementation model editor aveva openscenegraph 简体版

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Implementation Model Editor of AVEVA in OpenSceneGraph

摘要Abstract：本文主要對工廠和海工設計軟件AVEVA的交互方式進行詳細介紹，對OpenSceneGraph中的人機交互工具拖拽器進行說明，並在其中實現了模型直接交互操做。對交互建模感興趣的讀者可結合其源代碼，對其實現細節進行分析。數據庫

關鍵字Key Words：AVEVA, Model Editor, OpenSceneGraph, Dragger 編程

1、引言 Introduction

在當代的三維輔助設計軟件中，交互建模設計已經成爲主流。友好、高效的對三維模型直接進行編輯或修改，不只能夠提升用戶的工做效率，還會給用戶留下美好印象，即軟件良好的用戶體驗。交互建模的常見方法有：拖曳、約束、柵格捕捉、橡皮筋方法、引力場等，拖曳就是直接對選擇的模型在三維空間中拖動來改變位置和方向；約束方法就是在拖曳的時候添加約束條件，如只能沿某個方向進行拖曳，軟件中的應用有AutoCAD中的極軸捕捉功能；柵格捕捉也是一種帶約束的拖曳，即拖曳的過程當中只能沿正交網格中直線的交點拖動；橡皮筋方法主要用在繪製二維圖形；引力場方法就像AutoCAD中的磁吸功能。如何設計高效、友好、方便的用戶接口是當前各開發系統的廠家和專家所共同關心的問題，它的設計好壞可能直接影響用戶是否接受其產品。編輯器

本文主要對工廠和海工設計軟件AVEVA的交互方式進行詳細介紹，對OpenSceneGraph中的人機交互工具拖拽器進行說明，並在其中實現了模型直接交互操做。經過程序實踐，感受使用OpenSceneGraph來進行編碼仍是很舒服的，由於其代碼規範，設計很好。對交互建模感興趣的讀者可結合其源代碼，對其實現細節進行分析。 ide

2、模型編輯器Model Editor of AVEVA

AVEVA（原CADCENTRE）是國際著名的工廠工程信息技術企業，成立於1967年，總部設在英國劍橋；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自然氣、電力、石化、化工、核電、造船、環保、造紙、製藥、冶金、礦山等多個行業，同時提供專業工廠工程技術諮詢、技術服務和本地化可持續發展的應用開發。 AVEVA是目前全球發展最快的工廠工程信息技術企業之一，1996年在英國倫敦上市，2007財年年產值超過25億美圓。AVEVA在全球擁有超過1600名用戶，天天有超過26,000名工程人員在使用AVEVA的解決方案。AVEVA在世界30多個國家和地區設有超過50個常駐辦事機構，在英國劍橋總部及其餘研發中心擁有超過300名研究和開發人員，爲世界上最大的工廠工程信息技術研究和開發團隊。AVEVA的快速發展與其方便易用，良好的交互建模方式分不開，本文主要對其交互建模部分進行介紹。函數

AVEVA交互建模主要是使用模型編輯器Model Editor，使用Model Editor能夠只用鼠標就能夠進行建模設計了。編輯選擇的模型以下圖所示：工具

Figure 2.1 Model Editor on a Equipment 性能

使用的Handle能夠對模型多種方式的編輯，如軸向移動、平面移動、旋轉等，以下圖所示：優化

Figure 2.2 Locator Handle of Model Editor 動畫

2.1 移動 Movement

對選擇的模型進行軸向移動或平面移動時，可使用Model Editor的Linear and Planar handles。沿軸向或鎖定在某個平面上拖動模型，便可以移動模型。移動是按必定的長度遞增的，可由移動增量（the Movement Increment）來設置，這樣來確保拖動模型相對初始位置的精度。選中handle上某個軸，就能夠沿這個軸的方向來移動模型，以下圖所示：

Figure 2.3 Linear Movement

選中並拖動Model Editor的平面移動handle，就能夠在鎖定的平面上移動模型，以下圖所示：

Figure 2.4 Planar Movement

2.2 旋轉 Rotation

旋轉是經過Model Editor的Rotation handle來完成的。旋轉是按必定的角度來遞增的，可由旋轉增量（the Rotation Increment）來設置。這樣就確保了旋轉相對於初始位置的精度。選中並拖動Rotation handle，就能夠對模型進行旋轉了，以下圖所示：

Figure 2.5 Rotation

Figure 2.6 Use Model Editor to Modify a Valve

交互建模時使用Model Editor如上圖2.6所示，由圖可知，在AVEVA中對模型的移動和旋轉很是方便。

2.3 對齊 Alignment

經過對齊功能，能夠方便地將模型對齊到點、邊或面，以下圖所示：

Figure 2.7 Alignment features

經過上文對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。縱觀國內目前相似產品，有些還停留在二維建模方式，有些藉助於其餘平臺的交互方法，可是在易用性上感受都稍有不足，或沒有自主的知識產權。

3、拖拽器Dragger of OpenSceneGraph

1997年，一個名叫Don Burns的軟件工程師受僱於當時的Silicon Graphics(SGI)公司，負責針對滑翔機飛行的虛擬仿真工做進行研究。他使用當時的OpenGL Performer系統，設計了一套廣受好評的滑翔仿真軟件，並開始嘗試在Linux中使用Mesa3D和3dfx Voodoo顯卡設備繼續完善本身的仿真軟件。

1998年，Don在一個滑翔愛好者的郵件組中遇到了Robert Osfield，也就是目前OpenSceneGraph項目的主要負責人。當時Robert在蘇格蘭的油氣公司工做，但對計算機圖形學和可視化技術有着濃厚的興趣。志趣相投的兩我的走到了一塊兒，開始合做對Don的仿真軟件進行改善。Robert建議將SG做爲獨立的開源場景圖形項目繼續開發，並由本身擔任項目主導，項目的名稱改成OpenSceneGraph，簡稱OSG。

現在，至關一部分高性能的軟件已經使用了OSG來完成複雜場景的渲染工做。大部分基於OSG的軟件開發更適用於可視化設計和工業仿真，包括地理信息系統（GIS）、計算機輔助設計（CAD）、建模和數字媒體創做（DCC）及數據庫開發、虛擬現實、動畫、遊戲和娛樂業等。

OpenSceneGraph引擎由一系列圖形學相關的功能模塊組成，主要爲圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化的功能。它使用可移植的ANSI C++編寫，並使用已成爲工業標準的OpenGL底層渲染API。OSG具有跨平臺的特性，能夠運行在大多數類型的操做系統上，並使用抽象層的概念，使OSG的函數接口能夠獨立於用戶的本地操做系統使用。OSG遵循開源協議發佈，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），稱爲OSGPL。OSG主要具有如下優點：快速開發，高品質，高性能，高質量代碼，可擴展性，可移植性，低費用，沒有知識產權問題，可是OSG目前也存在諸多不足，如參考文檔較少、代碼風格不統1、部分功能的實現過於臃腫，沒法應用於實踐等，這些都有待更多的開發者和貢獻者去發現和完善。

三維用戶交互是一種與三維環境自己特性相匹配的交互動做，可以使用戶在虛擬場景中得到身臨其境的直觀感覺。三維世界的交互技術至關於一種「控制－顯示」的映射，用戶設備（例如鼠標、鍵盤、操縱桿等）向系統輸入控制信息，而後系統向用戶輸出執行結果。三維交互涉及的任務繁多，包括三維場景對象的選擇和操控、三維世界中的導航漫遊、改變三維場景的狀態，乃至時下流行的三維交互建模等。做爲一款全面的實時渲染引擎，OSG實現了三維場景的漫遊及場景中三維對象的操控這兩種主要的三維場景交互方式，更多的交互動做則須要咱們自行研究和實現。

做爲重要的三維空間的人機交互手段之一，場景漫遊的特色是經過不斷改變觀察者（相機）的位置、姿態，使其相對世界的觀察方位和角度有所變化，可是世界自己卻不會發生任何改變。不管草木、建築，仍是街道上的車水馬龍，構成它們的每個頂點都沒有發生任何偏移，若是觀察者有朝一日回到原地的話，他眼中的一切都不會發生改變。

而對於三維物體的操控則是另外一種概念，它沒有改變觀察者的視角和視點，而是根據用戶傳遞的交互事件，對選中的對象進行平移、縮放和旋轉操做，就像是玩弄橡皮泥同樣。被修整過的對象將改變原有的形態，換句話說，只要不恢復到操控前的狀態，那麼不管從什麼地方進行觀察，這個對象都將維持它最終的模樣。固然，即便操控物體的定義如此，直接修改物體的頂點座標未免仍是有些費力不討好，最好的方式是爲要操控的物體設置一個矩陣變換的父節點（MatrixTransform），經過改變這個父節點的變換矩陣的值，進行改變做爲操控對象的子節點的表現形式—這就是osgManipulator庫中拖拽器（Dragger）的實現方式。OSG內置了幾種拖拽器，其操做方式和效果說明以下：

l TabPlaneDragger平面拖拽器：其邊、頂點上都有拖拽點，能夠進行某個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，還多了個軌跡球拖拽功能；

Figure 3.2 TabPlaneTrackballDragger in OpenSceneGraph

l TrackballDragger軌跡球拖拽器：即旋轉操縱器，沒有縮放功能；

Figure 3.3 TrackballDragger in OpenSceneGraph

l Translate1DDragger一維平移拖拽器：沿一個直線進行拖拽；

Figure 3.4 Translate1DDragger in OpenSceneGraph

l Translate2DDragger二維平移拖拽器：在某個平面上對模型進行拖拽；

Figure 3.5 Translate2DDragger in OpenSceneGraph

l TranslateAxisDragger三維平移拖拽器：可在三個方向上對模型進行拖拽；

Figure 3.6 TranslateAxisDragger in OpenSceneGraph

l TabBoxDragger盒式拖拽器：由六個平面拖拽器構成，可在各個面上進行縮放、平移；

Figure 3.7 TabBoxDragger in OpenSceneGraph

還有其餘的拖拽器能夠參考其源代碼：

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：旋轉球拖拽器；

n RotateCylinderDragger旋轉圓柱拖拽器；

因爲使用了組合模式（CompositeDragger），可將上面的拖拽器組合成更復雜的拖拽器。如三維平稱拖拽器（TranslateAxisDragger）就是包含了三個一維拖拽器（Translate1DDragger）的組合拖拽器。由於程序開源，因此可根據實際須要，將拖拽器進行自定義。便可以定義出和AVEVA的Model Editor徹底同樣的操縱器。

4、示例程序 Example Code

要對場景中的模型進行拖拽，首先須要將其選中，而後在選中的模型上打開拖拽器，對模型的位置和方向進行編輯。對象的拾取主要依靠場景圖形的交運算來實現。拖拽器中用到的一個類PointerInfo表示一個信息的集合。例如，使用鼠標選中待操做對象上的某個點，以及當前相機的觀察矩陣和投影矩陣等，都須要及時反映到這個輸入參數中，以便拖拽器根據實際狀況進行判斷並生成命令。下面給出一個使用拖拽器Dragger來操做場景中模型的具體實例，程序代碼以下所示：

1.首先定義了一個帶拖拽器的節點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;
};

類實現代碼以下所示：

#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，打開拖拽器，實現類是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;
};

類實現代碼以下所示：

#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.在主函數中創建場景：

/*
*    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();
}

程序使用方法爲選擇要拖拽的模型，選中後爲模型打開拖拽器，使用拖拽器對模型進行拖拽就能夠修改模型的位置了。在鍵盤上按下‘d’能夠打開/關閉拖拽器，默認爲打開。當設置爲關閉時，再選中帶有拖拽器的模型後，將會關閉拖拽器。程序運行效果以下圖所示：

Figure 3.8 Use TranslateAxisDragger to dragger box

Figure 3.9 Use TranslateAxisDragger to dragger glider

Figure 3.10 Use TranslateAxisDragger in OpenSceneGraph

5、結論 Conclusion

經過程序實踐代表，OpenSceneGraph中的人機交互的方式仍是很方便的，並提供了幾種拖拽器來操縱模型。而且拖拽器採用了組合模式，便於擴展，即根據用戶實際須要組合出更復雜或更具個性的拖拽器。

因而可知，使用OpenSceneGraph來對模型進行顯示與操做很方便，且是開源程序，方便程序調試，還不存在知識產權的問題。由於OpenSceneGraph主要是用於虛擬仿真，還提供了不少仿真效果，如煙霧、火焰、粒子效果（雨、雪、爆炸）、動畫等，若是在建模設計的過程當中適量添加部分效果，是否是很cool？