OSG多视口与多通道渲染核心技术解析

OSG 的 多视口 (Multi-Viewport) 与 多通道/多遍渲染 (Multi-Pass / Multi-Channel) 知识框架。这是实现复杂渲染技术（如 RTT、阴影贴图、后期处理、立体渲染等）的基础。

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🌟 OSG 多视口与多通道知识框架详解

I. 核心原理与概念

在 OSG 中，多视口和多通道渲染都是基于 OpenGL 的 帧缓冲区对象 (FBO) 和 渲染上下文 (GraphicsContext) 进行组织的。

1. 视口 (Viewport)

视口是渲染结果最终显示的矩形区域，定义了屏幕或 FBO 附件上的像素坐标。

• OpenGL 原理： 通过 glViewport(x, y, width, height) 函数设置。它将 NDC (Normalized Device Coordinates, 规范化设备坐标，∈[−1,1]\in [-1, 1]∈[−1,1]) 映射到屏幕或 FBO 的像素坐标。
• OSG 实践： 由 osg::Camera 对象的 setViewport(osg::Viewport*) 或 setViewport(x, y, w, h) 方法设置。

2. 相机 (osg::Camera)

osg::Camera 是 OSG 中实现多视口和多通道渲染的核心。它封装了 OpenGL 的渲染状态（如视口、清除颜色、深度测试、FBO 绑定等）。

属性	作用
ViewMatrix	定义视点位置和方向 (OpenGL ModelView Matrix)
ProjectionMatrix	定义投影类型 (透视/正交) 和裁剪范围
Viewport	定义输出的屏幕/FBO 区域
RenderOrder	决定相机绘制的顺序（如 PRE_RENDER, POST_RENDER）
RenderTargetImplementation	决定输出目标 (FRAME_BUFFER_OBJECT 或 PIXEL_BUFFER)
Attach	绑定 FBO 附件 (Texture2D, Image, RenderBuffer)

3. 多视口 (Multi-Viewport)

多视口是指在 同一个渲染窗口 (GraphicsContext) 中，使用 多个独立的 osg::Camera 在不同的屏幕区域进行渲染。

• 原理： 每个 osg::Camera 都设置一个不同的 osg::Viewport。当 OSG 遍历场景图时，它会依次激活每个相机，调用其设置的 glViewport，然后使用该相机的状态渲染其子图。
• 应用： 分屏显示、HUD (平视显示器)、小地图、显示不同视角的预览等。

4. 多通道/多遍渲染 (Multi-Pass / Multi-Channel Rendering)

多通道通常指两个概念：

• Multi-Pass (多遍渲染)： 使用多个独立的渲染过程（通常是 RTT 相机）来完成一个复杂的效果。前一通道的输出作为后一通道的输入。
  • 示例： 阴影贴图：Pass 1 渲染深度到 Shadow Map；Pass 2 渲染主场景，采样 Shadow Map。
• Multi-Channel (多通道输出/MRT)： 单次渲染 过程中，通过帧缓冲区对象 (FBO) 的 多渲染目标 (MRT) 特性，同时将不同类型的数据输出到多个颜色附件中。
  • 示例： G-Buffer：单次渲染同时输出世界坐标、法线、颜色/纹理 ID、深度等。

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II. 实践应用与代码实现

1. 多视口实现：分屏显示

实现方法是在主场景图的根节点下添加多个设置了不同视口的 osg::Camera。

C++ 核心代码：

// 主视口/Viewer Camera（通常全屏）
osg::ref_ptr<osg::Camera> mainCamera = viewer->getCamera();
mainCamera->setViewport(0, 0, 800, 600); 
mainCamera->addChild(mainScene.get());

// 第二视口 (小地图/预览)
osg::ref_ptr<osg::Camera> subCamera = new osg::Camera;
subCamera->setViewport(600, 400, 200, 200); // 放在右上角 (x=600, y=400, w=200, h=200)
subCamera->setClearMask(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 
subCamera->setClearColor(osg::Vec4(0.1f, 0.1f, 0.2f, 1.0f)); 
subCamera->setProjectionMatrixAsPerspective(30.0, 1.0, 1.0, 1000.0);
subCamera->setViewMatrixAsLookAt(osg::Vec3(0, 0, 50), osg::Vec3(0, 0, 0), osg::Vec3(0, 1, 0));
subCamera->setRenderOrder(osg::Camera::POST_RENDER); // 确保在主场景之后绘制

// 将子相机添加到场景图，由主 Viewer 驱动渲染
osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group;
root->addChild(mainScene.get());
root->addChild(subCamera.get());

2. 多通道/多遍渲染实现：RTT 链

这是最常见的复杂渲染结构，如您之前的高程计算需求。

通道/阶段	目标	相机类型	RenderTargetImplementation
Pass 1 (Depth/Data)	渲染 3D 模型，输出数据到 Texture A	osg::Camera	FRAME_BUFFER_OBJECT
Pass 2 (Compute/Final)	渲染 2D Quad，采样 Texture A，计算结果输出到 Texture B	osg::Camera	FRAME_BUFFER_OBJECT 或 屏幕

C++ 核心代码 (Pass 1 RTT):

// Pass 1: depthCamera (RTT 到 Texture)
osg::ref_ptr<osg::Texture2D> depthTexture = new osg::Texture2D;
depthTexture->setInternalFormat(GL_R32F); 
// ... (设置 textureSize, filter) ...

osg::ref_ptr<osg::Camera> depthCamera = new osg::Camera;
depthCamera->setRenderTargetImplementation(osg::Camera::FRAME_BUFFER_OBJECT);
depthCamera->setRenderOrder(osg::Camera::PRE_RENDER);
depthCamera->setViewport(0, 0, W, H);
depthCamera->attach(osg::Camera::COLOR_BUFFER0, depthTexture.get()); // 绑定 FBO 附件
depthCamera->addChild(scene_root.get()); // 渲染 3D 场景

// Pass 2: computeCamera (读取 depthTexture 进行计算)
// ... (略) ...

3. 多通道输出实现：MRT (Multi-Render Target)

在 单次渲染 中同时输出多个数据。

C++ 核心代码 (MRT Setup):

// Texture 1: 颜色/高程 (附件 0)
osg::ref_ptr<osg::Texture2D> tex0 = new osg::Texture2D;
tex0->setInternalFormat(GL_R32F); // 高精度高程

// Texture 2: 法线/NDC 深度 (附件 1)
osg::ref_ptr<osg::Texture2D> tex1 = new osg::Texture2D;
tex1->setInternalFormat(GL_RGBA8); // 法线或其他数据

osg::ref_ptr<osg::Camera> mrtCamera = new osg::Camera;
// ... (设置 Viewport, RenderOrder, FBO) ...

// 【核心 MRT 绑定】
mrtCamera->attach(osg::Camera::COLOR_BUFFER0, tex0.get()); // 附件 0
mrtCamera->attach(osg::Camera::COLOR_BUFFER1, tex1.get()); // 附件 1

// 【着色器 Program 绑定】
osg::ref_ptr<osg::Program> program = new osg::Program;
// ... (添加 Shader) ...
osg::StateSet* ss = mrtCamera->getOrCreateStateSet();
ss->setAttributeAndModes(program.get(), osg::StateAttribute::ON);

GLSL 核心代码 (MRT Fragment Shader):

#version 330 core

// 声明两个输出变量，分别对应 COLOR_BUFFER0 和 COLOR_BUFFER1
layout(location = 0) out float out_Elevation; // 附件 0 (R32F)
layout(location = 1) out vec4 out_Normal;     // 附件 1 (RGBA8)

void main()
{
    // ... (计算逻辑) ...
    out_Elevation = calculated_height;
    out_Normal = vec4(normalize(world_normal), 1.0);
}

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III. 知识结构总结 (Mermaid 图)

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IV. 关键属性对比表格

特性	osg::Camera	osg::Viewport	osg::Texture2D	osg::Image
GL 对应	渲染状态、FBO	glViewport	glTexImage2D, glBindTexture	CPU 内存缓冲区
主要作用	定义渲染流程、矩阵、输出目标	定义屏幕/FBO 上的像素区域	GPU 内存存储，作为 FBO 附件或采样输入	CPU 内存存储，作为 readPixels 目标或纹理数据源
多通道/MRT	通过 attach(COLOR_BUFFERN, ...) 实现	定义 MRT 的尺寸	作为 FBO 的颜色附件 (输出)	CPU 回读目标 (输出)
多遍渲染	用于定义每个渲染通道 (Pass) 的状态		Pass 1 输出，Pass 2 输入 (采样)