Предположим, что некий поезд, идущий от станции A к станции B затрачивает на это перемещение 15 минут. Как можно смоделировать эту ситуацию, изменяя положение поезда в обратном вызове? Самый простой способ - соотнести положение станции A с моментом времени 0, а станции B - с моментом 15 минут и равномерно перемещать поезд между этими моментами времени. Такой простейший подход называется линейной интерполяцией. При линейной интерполяции вектор, задающий положение промежуточной точки описывается формулой

p = (1 - t) * p0 + t * p1

где p0 - начальная точка; p1 - конечная точка; t - параметр, изменяющийся равномерно от 0 до 1. Однако, движение поезда намного сложнее: выйдя со станции A он разгоняется, потом движется с постоянной скоростью, а затем замедляется, останавливаясь на станции B. Линейная интерполяция такой процесс уже не в состоянии описать и выглядит неестественно.

OSG предоставляет разработчику библиотеку osgAnimation, содержащую ряд стандартный алгоритмов интерполяции, применяемых для плавной анимации перемещения объектов сцены. Каждая из этих функций иммет обычно два аргрумента: начальное значение параметра (обычно 0) и конечное значение параметра (обычно 1). Эти функции могут быть применены к начальному участку движения (InMotion), к конечному участку (OutMotion) или к начальному и конечному участку движения (InOutMotion)

Тип движения in-класс out-класс in/out-класс
Линейная интерполяция LinearMotion – –
Квадратичная интерполяция InQuadMotion OutQuadMotion InOutQuadMotion
Кубическая интерполяция InCubicMotion OutCubicMotion InOutCubicMotion
Интерполяция 4-порядка InQuartMotion OutQuartMotion InOutQuartMotion
Интерполяция с эффектом отскока InBounceMotion OutBounceMotion InOutBounceMotion
Интерполяция с упругим отскоком InElasticMotion OutElasticMotion InOutElasticMotion
Синусоидальная интерполяция InSineMotion OutSineMotion InOutSineMotion
Интерполяция обратной функцией InBackMotion OutBackMotion InOutBackMotion
Круговая интерполяция InCircMotion OutCircMotion InOutCircMotion
Экспоненциальная интерполяция InExpoMotion OutExpoMotion InOutExpoMotion

Для создания линейной интерполяции движения объекта пишем такой код

osg::ref_ptr<osgAnimation::LinearMotion> motion = new osgAnimation::LinearMotion(0.0f, 1.0f);

Анимирование узлов трансформации

Анимация движения по траектории - наиболее распространенный вид анимации в графических приложениях. Этот прием может быть использован при анимировании движения автомобиля, полета самолета или движения камеры. Траектория задается предварительно, со всеми положениями, повротами и изменениями масштаба в ключевые моменты времени. При запуске цикла симуляции состояние объекта пересчитывается в каждом кадре, с применением линейной интерполяции для положения и масштабирования и сферической линейной интерполяции для кватернионов вращения. Для этого используется внутренний метод slerp() класса osg::Quat.

OSG предоставляет класс osg::AnimationPath для описания изменяющейся во времени траектории. Для добаления в траекторию контрольных точек, коответсвующих определенным моментам времени используется метод этого класса insert(). Контрольная точка описывается классом osg::AnimationPath::ControlPoint, конструктор которого принимает в качестве параметров позицию, и, опционально, параметры поворота объекта и масштабирование. Например

osg::ref_ptr<osg::AnimationPath> path = new osg::AnimationPath;
path->insert(t1, osg::AnimationPath::ControlPoint(pos1, rot1, scale1));
path->insert(t2, ...);

Здесь t1, t2 - моменты времени в секундах; rot1 - параметр поворота в момент времени t1, описываемый кватернионом osg::Quat.

Возможно управление зацикливанием анимации через метод setLoopMode(). По-умолчанию включен режим LOOP - анимация будет непрерывно повторятся. Другие возможные значения: NO_LOOPING - проигрывание анимации один раз и SWING - циклическое проигрывание движения в прямом и обратном направлениях.

После выполнения всех инициализаций мы присоединяем объект osg::AnimationPath к встроенному объекту osg::AnimationPathCallback, являющемуся производным от класса osg::NodeCallback.

Пример анимации движения по траектории

Теперь заставим нашу цессну двигаться по окружности с центром в точке (0,0,0). Положение самолета на траектории будет расчитываться путем линейной интерполяции положения и ориентации между ключеными кадрами.

main.h

#ifndef		MAIN_H
#define		MAIN_H

#include    <osg/AnimationPath>
#include    <osg/MatrixTransform>
#include    <osgDB/ReadFile>
#include    <osgViewer/Viewer>

#endif

main.cpp

#include	"main.h"

//------------------------------------------------------------------------------
//
//------------------------------------------------------------------------------
osg::AnimationPath *createAnimationPath(double radius, double time)
{
    osg::ref_ptr<osg::AnimationPath> path = new osg::AnimationPath;
    path->setLoopMode(osg::AnimationPath::LOOP);

    unsigned int numSamples = 32;
    double delta_yaw = 2.0 * osg::PI / (static_cast<double>(numSamples) - 1.0);
    double delta_time = time / static_cast<double>(numSamples);

    for (unsigned int i = 0; i < numSamples; ++i)
    {
        double yaw = delta_yaw * i;
        osg::Vec3d pos(radius * sin(yaw), radius * cos(yaw), 0.0);
        osg::Quat rot(-yaw, osg::Z_AXIS);

        path->insert(delta_time * i, osg::AnimationPath::ControlPoint(pos, rot));
    }

    return path.release();
}

//------------------------------------------------------------------------------
//
//------------------------------------------------------------------------------
int main(int argc, char *argv[])
{
    (void) argc; (void) argv;

    osg::ref_ptr<osg::Node> model = osgDB::readNodeFile("../data/cessna.osg.0,0,90.rot");

    osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> root = new osg::MatrixTransform;
    root->addChild(model.get());

    osg::ref_ptr<osg::AnimationPathCallback> apcb = new osg::AnimationPathCallback;
    apcb->setAnimationPath(createAnimationPath(50.0, 6.0));

    root->setUpdateCallback(apcb.get());

    osgViewer::Viewer viewer;
    viewer.setSceneData(root.get());
    
    return viewer.run();
}

Начинаем с создания траектории самолета, вынося этот код в отдельную функцию

osg::AnimationPath *createAnimationPath(double radius, double time)
{
    osg::ref_ptr<osg::AnimationPath> path = new osg::AnimationPath;
    path->setLoopMode(osg::AnimationPath::LOOP);

    unsigned int numSamples = 32;
    double delta_yaw = 2.0 * osg::PI / (static_cast<double>(numSamples) - 1.0);
    double delta_time = time / static_cast<double>(numSamples);

    for (unsigned int i = 0; i < numSamples; ++i)
    {
        double yaw = delta_yaw * i;
        osg::Vec3d pos(radius * sin(yaw), radius * cos(yaw), 0.0);
        osg::Quat rot(-yaw, osg::Z_AXIS);

        path->insert(delta_time * i, osg::AnimationPath::ControlPoint(pos, rot));
    }

    return path.release();
}

В качестве параметров функция принимает радиус окружности, по которой движется самолет и время, за которое он совершит один оборот. Внутри функции создаем объект траектории и включаем режим циклического повторения анимации

osg::ref_ptr<osg::AnimationPath> path = new osg::AnimationPath;
path->setLoopMode(osg::AnimationPath::LOOP);

Следующий код

unsigned int numSamples = 32;
double delta_yaw = 2.0 * osg::PI / (static_cast<double>(numSamples) - 1.0);
double delta_time = time / static_cast<double>(numSamples);

вычмсляет параметры аппроксимации траектории. Мы разбиваем всю траекторию на numSamples прмолинейных участков, и вычисляем изменение угла поворота самолета вокруг вертикальной оси (рыскания) delta_yaw и изменение времени delta_time при переходет от участка к учаcтку. Теперь создаем необходимые контрольные точки

for (unsigned int i = 0; i < numSamples; ++i)
{
    double yaw = delta_yaw * i;
    osg::Vec3d pos(radius * sin(yaw), radius * cos(yaw), 0.0);
    osg::Quat rot(-yaw, osg::Z_AXIS);

    path->insert(delta_time * i, osg::AnimationPath::ControlPoint(pos, rot));
}

В цикле перебираются все учатки траектории от первого до последнего. Каждая контрольная точка характеризуется углом рыскания

double yaw = delta_yaw * i;

положением центра масс самолета в пространстве

osg::Vec3d pos(radius * sin(yaw), radius * cos(yaw), 0.0);

Поророт самолета на требуемый угол рыскания (относительно вертикальной оси) задаем кватернионом

osg::Quat rot(-yaw, osg::Z_AXIS);

а затем добавляем расчитанные параметры в список контрольных точек траектории

path->insert(delta_time * i, osg::AnimationPath::ControlPoint(pos, rot));

В основной программа обращаем внимание на нюанс в указании имени файла модели самолета при загрузке

osg::ref_ptr<osg::Node> model = osgDB::readNodeFile("../data/cessna.osg.0,0,90.rot");

– к имени файла добавился некий суффикс “.0,0,90.rot”. Механизм загрузки геометрии из файла, используемый в OSG позволяет таким образом указать начальное положение и оринтацию модели после загрузки. В данном случае мы хотим, чтобы загрузившись, модель была повернута на 90 градусов вокруг оси Z.

Далее создается корневой узел, являющийся узлом трансформации, и объект модели добавляется к нему в качестве дочернего узла

osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> root = new osg::MatrixTransform;
root->addChild(model.get());

Теперь создаем обратный вызов анимации траектории, добавляя в него путь, создаваемый функцией createAnimationPath()

osg::ref_ptr<osg::AnimationPathCallback> apcb = new osg::AnimationPathCallback;
apcb->setAnimationPath(createAnimationPath(50.0, 6.0));

Прикрепляем этот коллбэк к узлу трансформации

root->setUpdateCallback(apcb.get());

Инициализация и запуск вьювера производится как обычно

osgViewer::Viewer viewer;
viewer.setSceneData(root.get());

return viewer.run();

Получаем анимацию движения самолета

Подумайте, вам ничего не показалось странным в этом примере? Ранее, например в программе, когда выполнялся рендеринг в текстуру, вы изменяли матрицу трансформации явно, чтобы добится изменения положения модели в пространстве. Здесь же мы только создаем узел трансформации и в коде нигде не просиходит явного задания матрицы.

Секрет в том, что эту работу выполняет специальный класс osg::AnimationPathCallback. В соотвествии с текущи положением объекта на траектории он вычисляет матрицу трансформации и автоматически применяет её к тому узлу трансформации, к которому он прикреплен, избавляя разработчика от кучи рутинных операций.

Тут следует отметить, что прикрепление osg::AnimationPathCallback к другим типам узлов, не только не даст эффекта, но и может привести к неопределенному поведению программы. Важно помнить, что данный обратный вызов воздействует исключительно на узлы трансформации.

Программное управление анимацией

Класс osg::AnimationPathCallback предоставляет методы для управления анимацией в процессе выполнения программы

  1. reset() – сбос анимации и проигрывание её сначала.
  2. setPause() – постановка анимации на паузу. В качестве параметра принимает логическое значение
  3. setTimeOffset() – задает смещение во времени до начала анимации.
  4. setTimeMultiplier() - задает временной множитель для ускорения/замедления анимации.

Например, для снятия анимации с паузы и сброса выполняем такой код

apcb->setPause(false);
apcb->reset();

а для начала анимации с четвортой секунды после запуска программы с двухкратным ускорением, такой код

apcb->setTimeOffset(4.0f);
apcb->setTimeMultiplier(2.0f);