对于OpenGL投影以及相机变换的一些理解

川长思鸟来 2022-05-22 22:51 249阅读 0赞

查了很多资料都有点想不明白投影到底干什么的，其实有时候不用想太多，以实际效果来做测试一下就明白了。

#### 正交投影 ####

首先我们图上先有一个立方体

float vertices[] = {
            //第一面
                -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f,
                0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 0.0f,
                0.5f, 0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,
                0.5f, 0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,
                -0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f,
            //第二面
                -0.5f, -0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f,
                0.5f, -0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f,
                0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 1.0f,
                -0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f,
                -0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f,
    
                -0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                -0.5f, 0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,
                -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                -0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f,
                -0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
    
                0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                0.5f, 0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,
                0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f,
                0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
    
                -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                0.5f, -0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,
                0.5f, -0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                0.5f, -0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                -0.5f, -0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f,
                -0.5f, -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
    
                -0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f,
                0.5f, 0.5f, -0.5f, 1.0f, 1.0f,
                0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f, 0.0f,
                -0.5f, 0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f,
                -0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f
        };

这个立方体十分简单，就是垂直于屏幕 z轴-0.5到0.5之间的一个立方体。后面两个坐标代表纹理的坐标。我们OpenGL使用的是右手坐标系  
![这里写图片描述][70]  
那么正常情况下我们会看到第二面，第二面的Z轴是离我们近的。然后我们使用正交投影的矩阵对坐标进行变换。

projection = glm::ortho(-1.0f, 1.0f, -ratio, ratio,0.1f, 10.0f);

我们先暂且不看前面4个参数，注意这里的投影矩阵是左手坐标系，那么我们可以理解为Z轴在0.1到10的范围内都可以显示。而转化为左手坐标系的OpenGL就代表在-0.1到-10的Z轴都是可见的。那么这样的话，我们就会看到第一个面，因为投影 的立方体是从物体中间传过去的。实际测试也是如此。  
前面几个参数的作用是指定投影的立方体左右上下的范围，实际测试的效果就是，会根据传参的不同比例而对坐标进行缩放。比如这个立方体在手机上每一个面看起来都是个长方形，外面把ratio设置为手机屏幕宽和高的比，这样就会把y轴投影成和实际坐标一样的，变成一个正方形，而不是因为宽高比不同而现实的长度不一样了。例如：  
将ratio制定为1.6,那么实际的效果就会变成 x坐标缩放一倍，y轴缩放1.6倍。  
这种投影在3D环境下基本用的比较少，手机上可以用来对横竖屏进行适配。

##### 透视投影 #####

projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), ratio, 0.1f, 100.0f);;

同样看先看最后两个参数，这个和正交投影类似，超过该返回的z值范围同样不会显示在投影屏幕上。  
第三个参数ratio也是一个比例，我们通常设置为横向和竖向的比例，这样投影出来的物体同样可以按照实际设置的坐标来控制大小，不会因为屏幕比例的问题而造成长宽数值一样大而显示不一样大。  
第一个参数是一个视野参数的弧度值。  
![这里写图片描述][70 1]

在生成的视椎体中，如果视野越大，视椎体的焦点也就越近，而投影在屏幕上的物体也就越小，该值在0-180度之间。  
盗一张图来贴上，可以看得比较直观，摄像机越近投影物体越小，看到的物体就好像你的眼睛在哪个位置投影过来。  
![这里写图片描述][70 2]

##### glm::lookAt #####

view = glm::lookAt(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f),
                           glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f),
                           glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f)
        );

这个函数是用来调整相机位置的，第一个参数是代表相机在世界坐标系的位置，第二参数代表相机看的位置。这两个确定之后，想象一下相机还能怎么旋转，只能翻滚旋转吧。所以第三个参数就决定翻滚旋转的向量了，网上有的资料说是世界坐标系的向量，我也不知道到底对不对。我这里理解的是相机坐标系的向量，一般取(0.0f, 1.0f, 0.0f)的话我们就往上看，取（0.0,-1.0f.0.0f)的话整个图像就倒过来了，如果图像旋转90度的话很容易就想到是(1.0,0.0f.0.0f)了。

[70]: /images/20220523/d9e617a292a1448bb104fe6bc4e1fac0.png
[70 1]: /images/20220523/d23f6b61d50c4232adf55c565585348d.png
[70 2]: /images/20220523/24ceb1de6d2c40699392d0515c16e1b3.png