开始研究OpenSceneGraph(OSG)

本文翻译自Don Burns和Robert Osfield（缺席）在Image 2003会议上的演讲幻灯片。

原文下载地址：http://www.openscenegraph.com/osgwiki/pmwiki.php/ProgrammingGuides/ProgrammingGuides

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1、什么是Open Scene Graph？

OpenSceneGraph使用OpenGL技术开发，是一套基于C++平台的应用程序接口（API）。OpenGL技术为图形元素（多边形、线、点……）和状态（光照、材质、阴影……）的编程提供了标准化的接口。而OSG开发的主要意义在于，将3D场景定义为空间中一系列连续的对象，以进行三维世界的管理。

正是由于场景及其参数定义的特点，通过状态转化、绘图管道和自定制等操作，OSG还可以用于优化渲染性能。

可以运行OSG的平台，需要具备OpenGL的支持能力，以及C++的编译环境，支持OSG的系统包括Solaris，IRIX，Windows，Mac OSX，HP-UX，Sony Platystation等等，不过XBox除外。和OpenGL类似，OSG的核心并没有提供窗口系统的功能。因此用户可以自由选择所需的图形开发接口，如GLUT，X11/Motif，Win32，MacOS X，Qt，wxWindows，Fox等。

OSG是一个开源系统。自Robert Osfield主持这个项目以来，OSG就作为一个开放源代码的图形开发工程开始在全球运作了。

OSG包括一系列的标准库。其核心是OSG本身。下图中的树状结构包括了场景管理的各个功能节点(node)。

节点可以用于绘图，或者设置几何体和渲染属性。例如，有的节点可以用于管理细节层次，场景转换，或者一个区域内几何体的拣选。

OSGUtil提供了场景操作的工具。如场景的精简（cull）和绘制，优化渲染，提供快捷方式等。

OSGDB提供了文件管理和插件管理的功能。所有的文件和图片都使用插件进行读取，以下是目前支持的文件格式列表：

3dc、3ds、ac3、dw、flt、Freetype、iv、ive、logo、lwo、md2、obj、osg、osgtgz、tgz、txp、directX、zip等文件格式；bmp、dds、pic、png、pnm、qt、rgb、tga等图像格式。

osg是OSG自身的格式，使用ASCII编码，便于阅读和编辑。

这些格式的文件都可以通过已有的插件读取，这其中也包括久负盛名的OpenFLT，Inventor，TXP（包括多重和异步的页），最近还增加了ive格式（osg格式的二进制版本）。

此外，OSG还提供了提供特殊功能和组件的一系列节点，如文本的字体和风格化显示，OSGSim用于模拟特定对象（天空，光，天候），以及粒子特效的显示。

用户可以自由地使用以上的库，也可以自定义新的库。

2、为什么开源？

之前已经提到过，OSG是一个完全开源的项目。而开源项目经常被认为是低质量的，“所予即所得”的，不适合产品化的。事实上，对于OSG这种还未产品化的开发层软件（middleware）而言，开源是一个极好的战略选择，当然这并不是对所有软件而言。

考虑软件开发的流程：首先是一个概念性的想法或者一个用户需求，软件工程师随后提出设计和实现的方案，最后将方案转化为代码。

不幸的是，大部分商业软件将代码的部分作为“家传之宝”，深藏起来，生怕这些看起来汇集了智慧结晶的资料外泄。。

然而，软件真正的价值是在开发流程的第二步，而且这一步完全可以被重新演绎成别的代码。我们经常见到大型企业之间为了代码之争将对方告上法庭的例子，但是这显得毫无用处。

在软件的“食物链”当中，处于最底层的是系统开发者，他们针对硬件编写接口和驱动程序；其上一层是开发层软件的编写者，他们提供抽象层，并整合硬件接口（声音、图像、网络等），以方便应用软件的开发者使用。应用层软件的开发者比较特殊，他们不仅要理解开发平台的特性，还要十分理解应用程序的工作配置和上级用户的需求。

最上一层是应用软件的用户，和开发者不同，他们将计算机作为一种工具，他们不关心软件的技术细节，只要软件易用而且有用，他们就愿意为之付款。这些人包括办公室的白领，培训学员，老师，飞行员，等等。

在开发者的层级，事实上也有一条分界线存在。在这个层级中，最下面的两层（系统开发者和开发层软件开发者）是由硬件厂商支持的。而开发层软件开发者和应用软件开发者之间，却存在了明显的差别。

以上的场景存在了两条主要问题：一、应用程序开发者要依赖于开发层软件开发者和系统开发者，这决定了产品的质量；二、开发层软件开发者要开发出令人满意的产品，就必须与应用程序开发者分享设计的方案。而软件的真正价值也就在这里。

OSG开源后带来的益处主要有：

（1）自由分享智慧：OSG有OSGPL的授权（派生自LGPL，但有所修改以适应商业软件的需求），这个授权将开发者从源代码保密的桎枯中解放出来，带来了诸多的便利。

（2）没有商业规范的限制：商业软件的编写要时常发布日程表、新特性和新版本，以实现市场战略的需要。开源软件纯粹从技术的角度出发，开发者可以集中精力解决技术上的难题。

（3）带给应用软件开发者的便利：不用购买；可参与开发；彻底进行调试；错误的反馈和解决。

（4）带给开发软件开发者的便利：高效的软件开发；用户参与；直接反馈；思想的共享。

（5）提升软件质量：不会总是忍受重复的错误。

开源的产品并不等价于成功的产品。网络上存在着许多开源软件（可以浏览一下Source Forge），它们之间一直在进行着“适者生存”的战争。

一个优秀的软件，无论它开源与否，都必须物有所值，即，必须为最终用户提供唯一的解决方案；它必须稳定，没有哪个应用程序开发者愿意在有问题的软件基础上进行编程；它必须有良好的设计，必须提供一种适合用户的开发方法，而不是对开发者和用户加以限制。它必须有很好的交流渠道，经常性地为用户的问题提供回答，解决疑难，而且要做到谦恭有礼。

3、设计思想

（1）适应性开发：早期的开发往往做出各种例行的限制，而OSG有意去适应用户。

（2）主要特性：可移植性；可扩展性（Design Patterns，STL……）；多显示、多线程环境；宽松的模块关系足以适应OpenGL技术的发展和各个方面（例如CG Shading语言）；可以在最少的重绘时间里提供最好的显示性能；提供简单的实时配置和各种特效（蜡板效果，阴影、基于图片的渲染、扭曲校正等）。

大部分的交流都在OSG的邮件组中进行。我们每天都会抽出数个小时的时间回答问题，和OSG的用户进行各种交流。我们在OSG的主页上通过在线的参考指南向用户提供各种信息，其中也包括大量的示例。我们还负责维护一个主机，用于收集邮件组的问答资料，用户提供的的示例代码，以及一些软件的部分程序段。

4、多线程、多显示（Multi-threaded, Multi-display）

单线程低负荷的设计特性允许我们的程序“朴实无华”，即，我们不必关注不必要的损耗。可升级性也是呈线性的，系统负荷不会随着进程单元的增加而增加。

我们不需要在运行时实现数据保护，而是在编译时进行这项工作。我们使用C++常量来保证源代码中的数据只读，编译器会要求我们按照规定的方式写入数据，从而避免覆盖危险的数据。因此，在运行时，我们不需要再建立额外的进程来保护多进程共享的数据。

当然危险依然存在。在任何多进程程序运行时，都需要遵守一定的规则。其中最重要的是，程序只有在更新段（UpdatePhase）的时候才可以传递数据。如下所示：

如上的程序拥有传统的多线程、多显示和多缓冲特性。每个相（Phase）都有自己的CPU时间，使得程序保持高度的并行化。在1990年时，这显然是一个优秀的设计，但是在2003年就不尽然了。处理器的速度比起过去已经快了60倍。

现在，我们如果要描述每个相的处理时间，那么大致如下图所示。更新时间（Update）不到一毫秒，标准数据库的拣选时间（Cull）约2~3毫秒，绘图时间（Draw）则没有变化，除非我们有意在绘图时为程序添加更多的工作。

可以明显看出，CPU资源的使用少得可怜，更多的时间它处于空闲状态。

Producer是OSG的姊妹产品，它为OSG良好地实现了多线程、多显示的环境。其基本概念是运用抽象的“摄相机”（Camera）。Producer中的每一个摄相机都是一个对象，也是一个进程单元，可以自行、与其他摄相机异步地并行工作。

Producer/OSG的多显示运用，其原理如下图所示：

绘图（Draw）事实上是两个并行的进程。在现代的图形设备上，一般至少有两个处理器在进行工作。CPU并不负责图形的渲染，而是执行OpenGL的指令，也就是“分发”（Dispatch）。图形处理器（也就是GPU）负责执行CPU分发的OpenGL指令，并异步进行执行。

这样的硬件结构有几个特点：一、分发进程仅仅由CPU和GPU之间管道（FIFO）的传输速率决定；二、使用大容量的管道，可以使分发的时间远远少于和快于GPU绘图的时间。

基于以上的信息，Producer/OSG使用了称为“移相”（phase shifted）的技术：

在进行移相时，我们使用了两种周期进行计算。其中一种是由图形设备的帧扫描（vertical retrace）得来的，它用于图形硬件设备的绘图工作。

在CPU一端，我们使用的时间周期与图形设备帧同步（vertical sync）的周期相同，但是通过移相使得更新（update）、拣选（cull）和分发（dispatch）过程与绘图（draw）过程交迭。在理想情况下，我们可以在一次分发结束后立即开始下一次的更新。更新/拣选/分发的过程连续地运行，简化了多线程的模型，也提高了资源的使用效率。

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关于作者：

Don Burns，OSG的创始者，1996年，他在Performer的基础上建立了这个PC平台上的视觉模拟工程，自2001年开始全职承担OSG及其相关工程的开发工作。

Robert Osfield，自1999年开始担任项目负责人，并将其作为开源项目发布，自2000年开始全职承担OSG的开发工作。

关于Image：

Image大会（The IMAGE Conference）开始于1977年，是目前世界上首屈一指的视觉仿真技术会议。它是由IMAGE Society发起，旨在探讨视觉仿真技术的发展和应用的会议。每次会议的内容主要由致辞、论文讲演、展览和技术教学组成。