OpenGL 入门基础教程 —— 模型的变换

电玩女神 2023-10-17 13:34 62阅读 0赞

对于矩阵变换，不清楚的可以参考前一篇文章，学习资料来源于：http://www.opengl-tutorial.org/cn/beginners-tutorials/tutorial-3-matrices/

**模型（Model）、观察（View）和投影（Projection）矩阵**  
  
利用模型、观察和投影矩阵，可以将模型的变换过程清晰地分解为三个阶段。虽然此法并非必需（前两课我们就没用这个方法嘛），但采用此法较为稳妥。我们将看到，这种公认的方法对变换流程作了清晰的划分。  
  
**模型矩阵**  
  
三维模型由一组顶点定义。顶点的XYZ坐标是相对于物体中心定义的：也就是说，若某顶点位于(0,0,0)，则其位于物体的中心。

我们希望能够移动它，玩家也需要用键鼠控制这个模型。这很简单，只需记住：缩放旋转平移就够了。在每一帧中，用算出的这个矩阵去乘（在GLSL中乘，不是在C++中！）所有的顶点，物体就会移动。唯一不动的是世界空间（World Space）的中心。

从模型空间（Model Space）（顶点都相对于模型的中心定义）变换到世界空间（顶点都相对于世界空间中心定义）。

![20170604175508520][]

**观察矩阵**

仔细想想，摄像机的原理也是相通的。如果想换个角度观察一座山，您可以移动摄像机也可以……移动山。后者在实际中不可行，在计算机图形学中却十分方便。  
  
起初，摄像机位于世界坐标系的原点。移动世界只需乘一个矩阵。假如你想把摄像机向右（X轴正方向）移动3个单位，这和把整个世界（包括网格）向左（X轴负方向）移3个单位是等效的！脑子有点乱？

![20170604175603557][]

![20170604175629214][]

投影矩阵  
  
现在，我们处于摄像机空间中。这意味着，经历了这么多变换后，现在一个坐标X==0且Y==0的顶点，应该被画在屏幕的中心。但仅有x、y坐标还不足以确定物体是否应该画在屏幕上：它到摄像机的距离（z）也很重要！两个x、y坐标相同的顶点，z值较大的一个将会最终显示在屏幕上。  
  
这就是所谓的透视投影（perspective projection）：

![20170604175652491][]

过程总结(具体看代码总结)：

第一步：创建模型观察投影（MVP）矩阵。任何要渲染的模型都要做这一步。

第二步：把MVP传给GLSL

// 包含标准输出头文件
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    // GLEW头文件
    #include <GL/glew.h>
    
    // GLFW头文件
    #include <glfw3.h>
    GLFWwindow* window;
    
    // GLM头文件
    #include <glm/glm.hpp>
    #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
    #include <glm/gtx/transform.hpp>
    using namespace glm;
    
    //使用shader时需要的链接库
    #include <common/shader.hpp>
    
    int main( void )
    {
    	/******* 初始化GLFW*******/
    	if( !glfwInit() )
    	{
    		fprintf( stderr, "Failed to initialize GLFW\n" );
    		getchar();
    		return -1;
    	}
    
    	glfwWindowHint(GLFW_SAMPLES, 4);
    	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE); // To make MacOS happy; should not be needed
    	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE); //We don't want the old OpenGL 
    
    	// 初始化一个窗口
    	window = glfwCreateWindow( 1024, 768, "Tutorial 03 - Matrices", NULL, NULL);
    	if( window == NULL ){
    		fprintf( stderr, "Failed to open GLFW window. If you have an Intel GPU, they are not 3.3 compatible. Try the 2.1 version of the tutorials.\n" );
    		getchar();
    		glfwTerminate();
    		return -1;
    	}
    	glfwMakeContextCurrent(window);
    
    	/******* 初始化GLEW*******/
    	glewExperimental = true; // Needed for core profile
    	if (glewInit() != GLEW_OK) {
    		fprintf(stderr, "Failed to initialize GLEW\n");
    		getchar();
    		glfwTerminate();
    		return -1;
    	}
    
    	// 设置输入模型，能捕获键盘输入
    	glfwSetInputMode(window, GLFW_STICKY_KEYS, GL_TRUE);
    
    	// 清除颜色设定
    	glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.4f, 0.0f);
    
    	//VAO(顶点数组集合)数组设定
    	GLuint VertexArrayID;
    	glGenVertexArrays(1, &VertexArrayID);
    	glBindVertexArray(VertexArrayID);
    
    	// 加载着色器
    	GLuint programID = LoadShaders( "SimpleTransform.vertexshader", "SingleColor.fragmentshader" );
    
    	/******* 模型的变换：MVP的每个分量皆为四元矩阵*******/
    	// 模型观察投影矩阵(MVP)创建
    	GLuint MatrixID = glGetUniformLocation(programID, "MVP");
    
    	
    	// 投影矩阵 : 45°视角 ,视野比例为： 4:3 , 显示距离:从 0.1 个单位到 100 个单位
    	glm::mat4 Projection = glm::perspective(30.0f, 16.0f / 9.0f, 0.1f, 100.0f);
    	// Or, for an ortho camera :
    	//glm::mat4 Projection = glm::ortho(-10.0f,10.0f,-10.0f,10.0f,0.0f,100.0f); // In world coordinates
    	
    	// 相机矩阵
    	glm::mat4 View       = glm::lookAt(
    								glm::vec3(2,2,2), // 从世界坐标 (4,3,3) 点观察
    								glm::vec3(0,0,0), // 原点在世界坐标的原点
    								glm::vec3(0,1,0)  // 朝向方向为(0,1,0)
    						   );
    	// 模型矩阵：将物体的中心坐标移至世界中心坐标，此时中心坐标与世界坐标重合，注意每个函数的参数，可以自行查阅
    	glm::mat4 myScalingMatrix = glm::scale(glm::vec3(2.0f, 2.0f ,2.0f));    //缩放矩阵
    	glm::mat4 myMatrix = glm::translate(glm::vec3(10.0f, 0.0f, 0.0f));      //平移矩阵
    	glm::mat4 myrotateMatrix = glm::rotate(45.f,glm::vec3(0.0f,1.0f,0.0f)); //旋转矩阵
    	glm::mat4 Model      = glm::mat4(1.0f);         //单位矩阵                        
    
    	// MVP 模型观察投影矩阵
    	glm::mat4 MVP        = Projection * View * Model*myScalingMatrix*myrotateMatrix; // Remember, matrix multiplication is the other way around
    
    	static const GLfloat g_vertex_buffer_data[] = { 
    		-1.0f, -1.0f, 0.0f,
    		1.0f, -1.0f, 0.0f,
    		0.0f,  0.0f, 0.0f,
    		1.0f, 1.0f, 0.0f,
    		-1.0f, 1.0f, 0.0f,
    		0.0f,  0.0f, 0.0f
    	};
    
    	static const GLushort g_element_buffer_data[] = { 0, 1, 2 };
    
    	GLuint vertexbuffer;
    	glGenBuffers(1, &vertexbuffer);
    	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);
    	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(g_vertex_buffer_data), g_vertex_buffer_data, GL_STATIC_DRAW);
    
    	do{
    
    		// Clear the screen
    		glClear( GL_COLOR_BUFFER_BIT );
    
    		// Use our shader
    		glUseProgram(programID);
    
    		/****将MVP转变传递给当前绑定的着色器****/
    		glUniformMatrix4fv(MatrixID, 1, GL_FALSE, &MVP[0][0]);
    
    		// 1rst attribute buffer : vertices
    		glEnableVertexAttribArray(0);
    		glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexbuffer);
    		glVertexAttribPointer(
    			0,                  // attribute. No particular reason for 0, but must match the layout in the shader.
    			3,                  // size
    			GL_FLOAT,           // type
    			GL_FALSE,           // normalized?
    			0,                  // stride
    			(void*)0            // array buffer offset
    		);
    
    		// Draw the triangle !
    		glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6); // 3 indices starting at 0 -> 1 triangle
    
    		glDisableVertexAttribArray(0);
    
    		// Swap buffers
    		glfwSwapBuffers(window);
    		glfwPollEvents();
    
    	} // Check if the ESC key was pressed or the window was closed
    	while( glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE ) != GLFW_PRESS &&
    		   glfwWindowShouldClose(window) == 0 );
    
    	// Cleanup VBO and shader
    	glDeleteBuffers(1, &vertexbuffer);
    	glDeleteProgram(programID);
    	glDeleteVertexArrays(1, &VertexArrayID);
    
    	// Close OpenGL window and terminate GLFW
    	glfwTerminate();
    
    	return 0;
    }

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