vulkanscenegraph显示倾斜模型(5.4)-相机操纵器
前言
在VSG（Vulkan Scene Graph）中，系统支持用户通过鼠标或触摸输入与三维场景进行交互，从而动态控制相机的位置和姿态，实现与三维场景的交互。VSG提供了多种相机操纵器，其中Trackball是一种常见的相机操作器，模拟了一个虚拟的轨迹球，用户可拖动鼠标来旋转、平移和缩放场景。机操纵器的本质是通过用户交互动态修改视图矩阵，从而改变模型在视口中的显示效果。本章探讨对事件的封装vsg::UIEvent，以此作为基础，将深入探讨vsg::trackball的实现原理，重点剖析旋转、平移和缩放三大操作的内部逻辑。
目录
- 1 vsg::UIEvent的封装
- 2 vsg::Trackball实现原理
本章为参照用例(vulkanscenegraph显示倾斜模型-CSDN博客)中的如下代码进行深入探讨。
vsg_viewer->addEventHandler(vsg::Trackball::create(vsg_camera));1 vsg::Event的封装
vsg::UIEvent继承自vsg::Object，其下共有三种类型的子类：vsg::FrameEvent、vsg::TerminateEvent和vsg::WindowEvent，分别对应帧循环消息、程序或渲染终止消息以及窗口事件。
在5.1章中，介绍了窗口的创建，在windows系统下，创建的窗口对象为vsg::Win32_Window。vsg::Window_Window通过函数handleWin32Messages处理系统消息，并将消息封装为vsg::UIEvent对象。
handleWin32Messages函数在vsg::Window_Window对象构造的过程中通过外部的函数Win32WindowProc与WNDCLASSEX::lpfnWndProc绑定，如下代码所示：
LRESULT CALLBACK Win32WindowProc(HWND hwnd, UINT msg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
Win32_Window* win = reinterpret_cast<Win32_Window*>(GetWindowLongPtr(hwnd, GWLP_USERDATA));
if (win != nullptr)
{
#if 1
// return if vsg::Win32_Window is able to handle it, otherwise fallback to the ::DefWindowProc(..) below
if (win->handleWin32Messages(msg, wParam, lParam)) return 0;
#else
win->handleWin32Messages(msg, wParam, lParam);
#endif
}
return ::DefWindowProc(hwnd, msg, wParam, lParam);
} WNDCLASSEX wc;
wc.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
wc.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW | CS_DBLCLKS;
wc.lpfnWndProc = Win32WindowProc;
wc.cbClsExtra = 0;
wc.cbWndExtra = 0;
wc.hInstance = ::GetModuleHandle(NULL);
wc.hIcon = LoadIcon(NULL, IDI_APPLICATION);
wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
wc.hbrBackground = 0;
wc.lpszMenuName = 0;
wc.lpszClassName = windowClass.c_str();
wc.hIconSm = 0;在vsg的渲染帧循环中(后续章节会深入探究)，调用vsg::Window_Window对象的pollEvents函数取出所有的事件，并在视景器vsg::Viewer的handleEvents函数中处理所有事件。
void Viewer::handleEvents()
{
CPU_INSTRUMENTATION_L1_NC(instrumentation, "Viewer handle events", COLOR_UPDATE);
for (auto& vsg_event : _events)
{
for (auto& handler : _eventHandlers)
{
vsg_event->accept(*handler);
}
}
}2 vsg::Trackball实现原理
vsg::Trackball继承自vsg::Visitor，通过重写apply(ButtonPressEvent& buttonPress)、apply(ButtonReleaseEvent& buttonRelease)、apply(MoveEvent& moveEvent)函数，实现对通过鼠标交互实现旋转、平移和缩放三大操作的处理。默认鼠标中键平移、鼠标滚轮缩放、鼠标左键拖动实现旋转，本章重点探讨旋转操作。
_updateMode = ROTATE;
moveEvent.handled = true;
dvec3 xp = cross(normalize(control_tbc), normalize(prev_tbc));
double xp_len = length(xp);
if (xp_len > 0.0)
{
_rotateAngle = asin(xp_len);
_rotateAxis = xp / xp_len;
rotate(_rotateAngle * scale, _rotateAxis);
}
else
{
_rotateAngle = 0.0;
}在Trackball::apply(MoveEvent& moveEvent)方法中，场景旋转的具体实现如下：prev_tbc表示鼠标左键点击时（即旋转操作开始时）对应的TBC（Trackball Coordinate）坐标，而control_tbc则表示当前鼠标位置对应的TBC坐标。通过计算这两个坐标之间的公垂线xp，将其作为旋转轴，同时以公垂线的长度作为旋转角度，从而实现场景的旋转操作。
其中有鼠标所在屏幕坐标计算得到TBC坐标的代码如下，其中ndc函数为取值范围为[0,1]的归一化屏幕坐标系。
dvec3 Trackball::tbc(const PointerEvent& event)
{
dvec2 v = ndc(event);
double l = length(v);
if (l < 1.0f)
{
double h = 0.5 + cos(l * PI) * 0.5;
return dvec3(v.x, -v.y, h);
}
else
{
return dvec3(v.x, -v.y, 0.0);
}
}旋转函数rotate具体实现如下：
void Trackball::rotate(double angle, const dvec3& axis)
{
dmat4 rotation = vsg::rotate(angle, axis);
dmat4 lv = lookAt(_lookAt->eye, _lookAt->center, _lookAt->up);
dvec3 centerEyeSpace = (lv * _lookAt->center);
dmat4 matrix = inverse(lv) * translate(centerEyeSpace) * rotation * translate(-centerEyeSpace) * lv;
_lookAt->up = normalize(matrix * (_lookAt->eye + _lookAt->up) - matrix * _lookAt->eye);
_lookAt->center = matrix * _lookAt->center;
_lookAt->eye = matrix * _lookAt->eye;
clampToGlobe();
}通过给定的旋转角度(angle)和旋转轴(axis)对相机上方(up)、观察点(center)、相机点(eye)，实现视图矩阵的更新。
文末：本章在上一篇文章的基础上，进一步深入相机操作器，机操纵器的本质是通过用户交互动态修改视图矩阵，从而改变模型在视口中的显示效果。重点分析了vsg中针对事件vsg::UIEvent的封装、vsg::Trackball中轨迹球旋转的具体实现。下章将分析视景器准备过程中的CommandGraph的创建过程。