月球与公转卫星

项目简介

本项目基于 OpenSceneGraph（OSG）三维引擎实现了一套简洁且真实的太空光照演示系统，核心功能包含：月球纯纹理自发光渲染、月球点光源照射、卫星球体环绕月球公转，并通过卫星的明暗面直观体现月球的发光效果。

项目全程不使用复杂着色器，仅依靠 OSG 原生光照、材质、纹理、坐标变换与动画回调实现，代码结构清晰、易于理解，非常适合 OSG 初学者学习三维渲染、光照系统与场景动画。

实现效果

1. 月球：使用纹理贴图渲染，开启自发光，自身持续明亮，不受外部环境影响
2. 光照：月球作为点光源，向外发射光线
3. 卫星小球：被月球光照亮，朝向月球一面高亮，背向月球阴暗，拥有真实的明暗过渡
4. 动画：卫星小球持续围绕月球做圆周公转，光影跟随位置实时变化，直观体现月球主动发光

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项目核心知识点

1. 场景树结构与基础节点

• osg::Group：场景根节点，用于管理所有子物体（月球、光源、卫星），是OSG场景的容器。
• osg::Geode：最小可渲染叶节点，专门承载几何体，是模型显示的基础单元。
• osg::MatrixTransform：空间变换节点，实现物体的位移、旋转、缩放，是动画实现的核心。

2. 几何体与可绘制对象

• osg::Sphere：定义球形数学形状，确定模型的基础轮廓。
• osg::ShapeDrawable：将数学形状转换为显卡可渲染的几何体，自动生成顶点、法线等数据。

3. 渲染状态与材质（自发光核心）

• osg::StateSet：渲染状态集，统一管理光照、纹理、材质等外观属性。
• osg::Material：材质类，通过 setEmission 实现物体自发光，是月球发光的关键。
• GL_LIGHTING：开启光照模式，让物体参与光照计算，实现亮暗面效果。

4. 纹理渲染

• osg::Texture2D：2D纹理对象，将图片转换为显卡可识别的纹理。
• osgDB::readImageFile：加载外部纹理图片（jpg/png等）。
• osg::TexEnv::REPLACE：纹理替换模式，让纹理颜色直接覆盖模型颜色，保证月球纹理真实显示。

5. 光照系统（光源照射核心）

• osg::Light：定义点光源，设置光源颜色、位置。
• osg::LightSource：光源节点，将光源加入场景树，实现光线照射效果。
• 全局开启 GL_LIGHT0，让月球光源生效，照亮卫星小球。

6. 帧动画与回调机制（公转核心）

• osg::NodeCallback：节点更新回调基类，实现每帧自动执行的逻辑。
• 自定义 OrbitCallback 回调类：通过角度累加 + 三角函数，计算圆周运动坐标，实现卫星绕月公转。
• setUpdateCallback：将回调绑定到变换节点，启动自动动画。

7. 数学与动画基础

• 角度转弧度、三角函数（cos/sin）：实现圆周运动的数学基础。
• 帧更新动画：通过每帧修改物体位置，形成视觉上的平滑连续动画。

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完整项目代码

#include <osg/Geode>
#include <osg/ShapeDrawable>
#include <osg/Texture2D>
#include <osgViewer/Viewer>
#include <osg/StateSet>
#include <osg/TexEnv>
#include <osgDB/ReadFile>
#include <osg/Material>
#include <osg/Light>
#include <osg/LightSource>
#include <osg/MatrixTransform>
#include <osg/Group>
#include <osg/NodeCallback>

// ====================== 1. 创建月球（纯纹理 + 自发光）======================
osg::ref_ptr<osg::Node> createMoon(const std::string& texturePath)
{
    // 创建球体几何体，中心在坐标原点，半径为1.0
    osg::ref_ptr<osg::Sphere> sphere = new osg::Sphere(osg::Vec3(0,0,0), 1.0f);
    // 将球体封装为可绘制对象
    osg::ref_ptr<osg::ShapeDrawable> drawable = new osg::ShapeDrawable(sphere);
    // 创建叶节点，用于承载可绘制几何体
    osg::ref_ptr<osg::Geode> geode = new osg::Geode();
    geode->addDrawable(drawable);

    // 获取节点渲染状态集
    osg::ref_ptr<osg::StateSet> ss = geode->getOrCreateStateSet();
    // 开启光照系统，保证月球可以参与光照计算
    ss->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::ON);

    // 设置材质，实现月球自发光
    osg::ref_ptr<osg::Material> mat = new osg::Material();
    // 设置发射颜色为纯白色，强度拉满，实现自发光效果
    mat->setEmission(osg::Material::FRONT_AND_BACK, osg::Vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0));
    ss->setAttributeAndModes(mat, osg::StateAttribute::ON);

    // 加载月球纹理图片
    osg::ref_ptr<osg::Texture2D> texture = new osg::Texture2D();
    osg::ref_ptr<osg::Image> image = osgDB::readImageFile(texturePath);
    if (image) texture->setImage(image);

    // 设置纹理环境模式为REPLACE，纹理颜色直接替换模型颜色
    osg::ref_ptr<osg::TexEnv> texEnv = new osg::TexEnv();
    texEnv->setMode(osg::TexEnv::REPLACE);
    // 将纹理与纹理模式应用到模型
    ss->setTextureAttributeAndModes(0, texEnv, osg::StateAttribute::ON);
    ss->setTextureAttributeAndModes(0, texture, osg::StateAttribute::ON);

    return geode;
}

// ====================== 2. 创建被照亮的卫星小球 ======================
osg::ref_ptr<osg::Node> createLitBall()
{
    // 创建小球体，半径0.3
    osg::ref_ptr<osg::Sphere> sphere = new osg::Sphere(osg::Vec3(0,0,0), 0.3f);
    osg::ref_ptr<osg::ShapeDrawable> drawable = new osg::ShapeDrawable(sphere);
    osg::ref_ptr<osg::Geode> geode = new osg::Geode();
    geode->addDrawable(drawable);

    osg::ref_ptr<osg::StateSet> ss = geode->getOrCreateStateSet();
    // 开启光照，接受月球光源的照射
    ss->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::ON);

    // 设置小球材质，灰色漫反射，白色高光，清晰显示光照明暗面
    osg::ref_ptr<osg::Material> mat = new osg::Material();
    mat->setDiffuse(osg::Material::FRONT_AND_BACK, osg::Vec4(0.6f, 0.6f, 0.6f, 1.0f));
    mat->setSpecular(osg::Material::FRONT_AND_BACK, osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f));
    ss->setAttributeAndModes(mat, osg::StateAttribute::ON);

    return geode;
}

// ====================== 3. 月球点光源系统 ======================
osg::ref_ptr<osg::Node> createMoonLight()
{
    // 创建0号光源
    osg::ref_ptr<osg::Light> light = new osg::Light();
    light->setLightNum(0);
    // 设置光源颜色为暖白色，模拟月光
    light->setDiffuse(osg::Vec4(1.0f, 1.0f, 0.9f, 1.0f));
    // 光源位置固定在月球中心（原点）
    light->setPosition(osg::Vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f));

    // 将光源封装为光源节点
    osg::ref_ptr<osg::LightSource> lightSource = new osg::LightSource();
    lightSource->setLight(light);
    return lightSource;
}

// ====================== 4. 公转动画回调：小球绕月球旋转 ======================
class OrbitCallback : public osg::NodeCallback
{
public:
    OrbitCallback() : _angle(0) {}

    // 每帧执行的动画更新函数
    virtual void operator()(osg::Node* node, osg::NodeVisitor* nv)
    {
        // 将节点转换为坐标变换节点
        osg::MatrixTransform* mt = dynamic_cast<osg::MatrixTransform*>(node);
        if (mt)
        {
            // 控制公转速度，数值越大旋转越快
            _angle += 0.2f;
            // 公转轨道半径
            float radius = 2.2f;

            // 将角度转换为弧度，计算圆周坐标
            float rad = osg::DegreesToRadians(_angle);
            float x = radius * cos(rad);
            float z = radius * sin(rad);

            // 设置小球位置，实现绕Y轴圆周运动
            mt->setMatrix(osg::Matrix::translate(x, 0.0f, z));
        }
        // 继续遍历子节点
        traverse(node, nv);
    }
private:
    float _angle; // 记录旋转角度
};

// ====================== 主函数：场景构建与渲染 ======================
int main()
{
    // 创建OSG渲染窗口查看器
    osgViewer::Viewer viewer;
    // 创建场景根节点
    osg::ref_ptr<osg::Group> root = new osg::Group();

    // 添加月球模型与月球光源
    root->addChild(createMoon("/home/xiaoqing/study/osg-study_1/osg_moon/moon.jpg"));
    root->addChild(createMoonLight());

    // 创建卫星小球的坐标变换节点
    osg::ref_ptr<osg::MatrixTransform> ballTrans = new osg::MatrixTransform();
    ballTrans->addChild(createLitBall());
    // 绑定公转动画回调，启动自动旋转
    ballTrans->setUpdateCallback(new OrbitCallback());
    root->addChild(ballTrans);

    // 全局开启0号光源
    osg::ref_ptr<osg::StateSet> rootSS = root->getOrCreateStateSet();
    rootSS->setMode(GL_LIGHT0, osg::StateAttribute::ON);

    // 创建窗口并设置场景数据
    viewer.setUpViewInWindow(100, 100, 800, 600);
    viewer.setSceneData(root);

    // 启动渲染循环
    return viewer.run();
}

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创建节点流程总结

创建球体形状
   ↓
生成可绘制对象（Drawable）
   ↓
放进叶节点（Geode）
   ↓
设置渲染状态（光照、材质、纹理）
   ↓
节点加入场景树

createMoon 函数负责创建月球：

1. 球体创建：使用 osg::Sphere 生成球形模型
2. 光照开启：必须开启 GL_LIGHTING 才能让月球发光并照亮其他物体
3. 自发光实现：通过 setEmission 设置材质发射色，让月球自身发光
4. 纹理渲染：加载月球贴图，使用 REPLACE 模式让纹理完全覆盖模型颜色，保证画面真实

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OrbitCallback 实现旋转

它是一个“每帧自动执行的动画工具”
OSG 渲染的时候，画面每刷新一次，它就自动跑一次，用来不断修改小球的位置 → 让小球转起来。

你可以把它理解为：
小球的“自动公转控制器”

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代码实现

// 1. 定义一个公转回调类，继承 OSG 的 NodeCallback
// 继承后，才能被 OSG 自动调用
class OrbitCallback : public osg::NodeCallback
{
public:
    // 2. 构造函数：初始化角度为 0
    OrbitCallback() : _angle(0) {}

    // 3. 核心函数：每帧都会被 OSG 自动调用！
    // node = 小球所在的变换节点 ballTrans
    // nv = 访问器（OSG 内部遍历用）
    virtual void operator()(osg::Node* node, osg::NodeVisitor* nv)
    {
        // 4. 把传入的节点 强转成 变换节点
        // 因为我们要对小球做位移、旋转
        osg::MatrixTransform* mt = dynamic_cast<osg::MatrixTransform*>(node);

        // 5. 如果转换成功（不为空）
        if (mt)
        {
            // ==================== 动画核心 ====================
            // 6. 角度每次 +0.2（数值越大，转得越快）
            _angle += 0.2f;

            // 7. 公转半径：小球离月球多远
            float radius = 2.2f;

            // 8. 把角度转成弧度（C++ 三角函数只认弧度）
            float rad = osg::DegreesToRadians(_angle);

            // 9. 圆周运动公式：
            // 绕 Y 轴转 → X 和 Z 坐标不断变化，形成圆形轨迹
            float x = radius * cos(rad);
            float z = radius * sin(rad);

            // 10. 设置小球新位置 → 小球移动了！
            mt->setMatrix(osg::Matrix::translate(x, 0.0f, z));
        }

        // 11. 必须写：让 OSG 继续遍历子节点（小球）
        traverse(node, nv);
    }

private:
    // 12. 保存当前旋转的角度（每帧累加）
    float _angle;
};

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工作流程

流程 1：创建回调

ballTrans->setUpdateCallback(new OrbitCallback());

告诉 OSG：
“请给我开启自动更新，每帧都调用这个类！”

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流程 2：OSG 每帧自动调用

画面每刷新一次，就执行一次：

operator()(node, visitor);

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流程 3：角度不断变大

_angle += 0.2f;

第1帧：0
第2帧：0.2
第3帧：0.4
第4帧：0.6
……
一直累加 → 角度越来越大 → 转圈

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流程 4：计算圆周坐标

x = 半径 * cos(角度)
z = 半径 * sin(角度)

这就是绕 Y 轴公转的数学公式。

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流程 5：设置新位置

mt->setMatrix( osg::Matrix::translate(x,0,z) );

小球瞬间移动到新坐标。

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流程 6：不断重复

因为每帧都在移动，视觉上就变成了平滑公转。

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重要的 3 个知识点（必须记住）

1. 回调 = 每帧自动执行

你不用写 while 循环
OSG 自动帮你跑

2. operator() 是动画入口

所有旋转、位移逻辑都写在这里

3. _angle 是动画的“时间轴”

角度不断累加 → 位置不断变化 → 旋转动画

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总结

本项目以简洁的代码、完整的效果，覆盖了OSG引擎场景管理、几何体渲染、材质纹理、光照系统、帧动画五大核心知识点。

通过“月球发光照亮卫星、卫星绕月公转”的直观效果，完美串联了3D渲染的基础逻辑，既是OSG入门的实战案例，也是理解3D光照与动画的优质实践项目。