OpenGL入门之摄像机

摄像机

使用摄像机的3个轴外加一个平移向量来创建一个矩阵，可以用这个矩阵乘以任何向量来将其表换到那个坐标空间。这就是，矩阵的作用。现有3个相互垂直的轴和一个定义摄像机空间的位置坐标，可以创建自己的LookAt矩阵：

GLM已经提供了创建LookAt矩阵的函数，只需要一个摄像机位置，一个目标位置和一个表示世界空间中的上向量的向量。

glm::mat4 view;
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));

视角移动（用鼠标）
欧拉角：

欧拉角时可以表示3D空间中任何旋转的3个值，包括俯仰角（Pitch)、偏航角(Yaw)和滚转角(Roll)

俯仰角描述往上或往下看，偏航角表示往左和往右看，滚转角代表如何翻滚摄像机。

对于摄像机系统，只关注俯仰角和偏航角。

可以把俯仰角和偏航角转化为用来自由旋转视角的摄像机的3维方向向量。

direction.x=cos(glm::radians(pitch))*cos(glm::radians(yaw));
direction.y=sin(glm::radians(pitch));
direction.z=cos(glm::radians(pitch))*sin(glm::radians(yaw));

鼠标输入：

偏航角和俯仰角是通过鼠标或手柄移动获得的，水平的移动影响偏航角，垂直的移动影响俯仰角。

初始yaw设为-90.0f，pitch设为0.0f

且偏航角要设在-89.0f到89.0f之间，因为在90度视角时会发生逆转。

完整的鼠标回调函数如下所示：

void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos)	//鼠标回调函数
{
	if (firstMouse)
	{
		lastX = xpos;
		lastY = ypos;
		firstMouse = false;
	}
	float xoffset = xpos - lastX;
	float yoffset = lastY - ypos;	//相反的，因为y坐标是从底部往顶部依次增大的
	lastX = xpos;
	lastY = ypos;
	float sensitivity = 0.05f;
	xoffset *= sensitivity;
	yoffset *= sensitivity;
	yaw += xoffset;
	pitch += yoffset;
	if (pitch > 89.0f)
		pitch = 89.0f;
	if (pitch < -89.0f)
		pitch = -89.0f;
	glm::vec3 front;
	front.x = cos(glm::radians(pitch))*cos(glm::radians(yaw));
	front.y = sin(glm::radians(pitch));
	front.z = cos(glm::radians(pitch))*sin(glm::radians(yaw));
	cameraFront = glm::normalize(front);
}

注册鼠标回调函数如下：

glfwSetCursorPosCallback(window, mouse_callback);

缩放：

fov（视野）定义了可以看到场景中多大的范围，当视野变小时，场景投影出来的空间就会减小，产生放大的感觉。鼠标滚轮的回调函数如下：

void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset)	//鼠标滚轮的回调函数
{
	if (fov >= 1.0f&&fov <= 45.0f)
		fov -= yoffset;
	if (fov <= 1.0f)
		fov = 1.0f;
	if (fov >= 45.0f)
		fov = 45.0f;
}

投影矩阵定义如下：

projection = glm::perspective(glm::radians(fov), 800.0f / 600.0f, 0.1f, 100.0f);

注册鼠标滚轮的回调函数如下：

glfwSetScrollCallback(window, scroll_callback);

完整的代码

/*OpenGL之窗口初始化*/
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "Shader.h"
#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
#define screenWidth 800
#define screenHeight 600
#include "stb_image.h"
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* windows, int width, int height);
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos);
void processInput(GLFWwindow *windows);
void scroll_callback(GLFWwindow *window, double xoffset, double yoffset);
unsigned int shaderProgram;
std::string vertexCode;
std::string fragmentCode;
std::ifstream vShaderFile;	//文件输入流
std::ifstream fShaderFile;
glm::vec3 cameraPos = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f);
glm::vec3 cameraFront = glm::vec3(0.0f, 0.0f, -1.0f);
glm::vec3 cameraUp = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
float fov = 45.0f;
float deltaTime = 0.0f;
float lastFrame = 0.0f;
float lastX = 400, lastY = 300;
float yaw=-90.0, pitch=0;	//yaw=-90.0使z轴坐标开始为-1
int success;	//定义一个整型变量来表示是否成功编译
char infoLog[512];	//存储错误消息的容器
unsigned int VBO;	//顶点缓冲对象
unsigned int VAO;	//顶点数组对象
unsigned int EBO;
unsigned int vertexShader;	//通过ID引用
unsigned int fragmentShader;
unsigned int texture1;	//创建纹理的ID
unsigned int texture2;
bool firstMouse = true;
int main()
{
	glfwInit();	//初始化GLFW
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);	//将主版本号和此版本号都设为3
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);	//明确告诉GLFW使用的是核心模式
	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(screenWidth, screenHeight, "LearnOpenGL", NULL, NULL);		//创建窗口对象
	if (window == NULL)
	{
		std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	glfwMakeContextCurrent(window);	//将窗口的上下文设置为当前线程的主上下文
	glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);	//注册窗口的大小改变时，视口也应该被调整的函数
	glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_DISABLED);	//隐藏光标并捕捉它
	glfwSetCursorPosCallback(window, mouse_callback);//注册鼠标回调函数
	glfwSetScrollCallback(window, scroll_callback);	//注册鼠标滚轮的回调函数
	if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))	//	调用任何OpenGL的函数之前需要初始化GLAD:给GLAD传入了用来加载系统相关的OpenGL函数指针地址的函数
	{
		std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
		return -1;
	}
	glViewport(0, 0, screenWidth, screenHeight);	//设置渲染窗口的尺寸大小，即视口，这样OpenGL才知道怎样根据窗口大小显示数据和坐标，前两个参数控制窗口左下角的位置。第三个和第四个参数控制渲染窗口的宽度和高度（像素）
	Shader ourShader("vshader.vs", "fshader.fs");
	int nrAttributes;
	glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &nrAttributes);
	std::cout << "Maximun nr of vertex attributes supported:" << nrAttributes << std::endl;
	float vertices[] = {
		-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,

		-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,

		-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
	};
	glm::vec3 cubePositions[] = {			//定义立方体位置
		glm::vec3(0.0f,  0.0f,  0.0f),
		glm::vec3(2.0f,  5.0f, -15.0f),
		glm::vec3(-1.5f, -2.2f, -2.5f),
		glm::vec3(-3.8f, -2.0f, -12.3f),
		glm::vec3(2.4f, -0.4f, -3.5f),
		glm::vec3(-1.7f,  3.0f, -7.5f),
		glm::vec3(1.3f, -2.0f, -2.5f),
		glm::vec3(1.5f,  2.0f, -2.5f),
		glm::vec3(1.5f,  0.2f, -1.5f),
		glm::vec3(-1.3f,  1.0f, -1.5f)
	};
	unsigned int indices[] = {//注意索引从0开始
		0,1,3,//第一个三角形
		1,2,3 //第二个三角形
	};
	glGenBuffers(1, &VBO);	//创建顶点缓冲对象
	glGenVertexArrays(1, &VAO);	//创建顶点数组对象
//	glGenBuffers(1, &EBO);	//创建索引缓冲对象
							//绑定VAO
	glBindVertexArray(VAO);
	//把顶点数组复制到缓冲中供OpenGL使用
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);	//绑定顶点缓冲对象
//	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);	//绑定索引缓冲对象
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);//复制顶点数组到一个顶点缓冲中，供OpenGL使用
//	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);//复制索引数组到一个索引缓冲中，供OpenGL使用


																					/*设置顶点属性指针，第一个参数指定要配置的顶点属性，第二个参数指定顶点属性的大小，第三个参数指定数据的类型，
																					第四个参数定义是否希望数据被标准化，第五个参数叫做步长，最后一个参数类型是void*(为偏移量）*/
	glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)0);
	//glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void *)(3 * sizeof(float)));
	glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void *)(3 * sizeof(float)));
	glEnableVertexAttribArray(0);	//以顶点属性位置值作为参数，启用顶点属性
	glEnableVertexAttribArray(1);
	//glEnableVertexAttribArray(2);
	glBindVertexArray(0);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
	/*
	/当目标是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER的时候，VAO会储存glBindBuffer的函数调用。
	这也意味着它也会储存解绑调用，所以确保你没有在解绑VAO之前解绑索引数组缓冲，否则它就没有这个EBO配置
	*/
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);

	/*生成纹理的过程*/
	glGenTextures(1, &texture1);	//	函数首先需要输入生成纹理的数量，然后把它们存储在第二个参数的unsigned int数组中
	glGenTextures(1, &texture2);	//	函数首先需要输入生成纹理的数量，然后把它们存储在第二个参数的unsigned int数组中
									//加载并生成纹理
	int width1, height1, nrChannels1;
	int width2, height2, nrChannels2;
	stbi_set_flip_vertically_on_load(true);//指示stb_image.h在y轴上翻转加载纹理
	unsigned char *data1 = stbi_load("container.jpg", &width1, &height1, &nrChannels1, 0);
	unsigned char *data2 = stbi_load("awesomeface.png", &width2, &height2, &nrChannels2, 0);
	if (data1)
	{
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);	//像其他对象一样，需要绑定它，之后任何的纹理指令都可以配置当前绑定的纹理
												//为当前绑定的纹理对象设置环绕、过滤方式
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
		glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width1, height1, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data1);//第一个参数指定纹理目标，第二个参数为纹理指定多级渐远纹理级别，0为基本级别，第三个参数代表希望把纹理存储为何种格式，第七、八个参数定义了源图的格式和数据类型，最后一个参数是真正的图像数据
		glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);	//为当前绑定的纹理自动生成所有需要的多级渐远纹理
	}
	else
	{
		std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}
	if (data2)
	{
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);	//像其他对象一样，需要绑定它，之后任何的纹理指令都可以配置当前绑定的纹理
												//为当前绑定的纹理对象设置环绕、过滤方式
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
		glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
		glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, width2, height2, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, data2);//第一个参数指定纹理目标，第二个参数为纹理指定多级渐远纹理级别，0为基本级别，第三个参数代表希望把纹理存储为何种格式，第七、八个参数定义了源图的格式和数据类型，最后一个参数是真正的图像数据
		glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);	//为当前绑定的纹理自动生成所有需要的多级渐远纹理
	}
	else
	{
		std::cout << "Failed to load texture" << std::endl;
	}
	stbi_image_free(data1);
	stbi_image_free(data2);
	ourShader.use();

	ourShader.setInt("texture1", 0);//通过使用着色器类告诉OpenGL每个着色器采样器属于哪个纹理单元
	ourShader.setInt("texture2", 1);
	unsigned int transformLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, "transform");
	unsigned int modelLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, "model");
	unsigned int viewLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, "view");
	unsigned int projectionLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, "projection");
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);	//当片段想输出它的颜色时，OpenGl会将它的深度值和z缓冲进行比较，如果当前片段在其他片段之后，将会被丢弃，否则会覆盖
								//渲染循环，在主动关闭它之前不断绘制图像并能够接受用户输入
	while (!glfwWindowShouldClose(window))	//在循环的开始前检查一次GLFW是否被要求退出，是的话该函数返回true，渲染循环便结束
	{
		float currentFrame = glfwGetTime();
		deltaTime = currentFrame - lastFrame;
		lastFrame = currentFrame;
		glm::mat4 trans = glm::mat4(1.0f);		//一般步骤为先缩放，再旋转，再平移
		trans = glm::translate(trans, glm::vec3(0.5, -0.5, 0.0));
		trans = glm::rotate(trans, (float)glfwGetTime(), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));//实际的变换顺序与阅读顺序相反
		glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(trans));
		processInput(window);
		glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);	//设置清空屏幕所用的自定义颜色，为状态设置函数
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT);	//通过调用glClear函数来清空屏幕的颜色缓冲深度缓冲（否则前一帧的深度信息仍然保存在缓冲中），为状态使用函数

										//绑定纹理到相应纹理单元(此处为0和1)
		glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
		glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);

		ourShader.use();	//当渲染一个物体时要使用着色器程序
		//model = glm::rotate(model, (float)glfwGetTime()*glm::radians(50.0f), glm::vec3(0.5f, 1.0f, 0.0f));
		glm::mat4 view = glm::mat4(1.0f);
		//view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -3.0f));
		float radius = 10.0f;
		float camX = sin(glfwGetTime())*radius;
		float camZ = cos(glfwGetTime())*radius;
		view = glm::lookAt(cameraPos,cameraPos+cameraFront, cameraUp);
		glm::mat4 projection = glm::mat4(1.0f);
		projection = glm::perspective(glm::radians(fov), (float)screenWidth / screenHeight, 0.1f, 100.0f);
		glUniformMatrix4fv(viewLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(view));
		glUniformMatrix4fv(projectionLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(projection));
		glBindVertexArray(VAO);			//绑定VAO
									
		for (int i = 0; i < 10; i++)	//如果
		{
			glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);			//区别在于它们在世界的位置及旋转角度不同
			model = glm::translate(model, cubePositions[i]);	
			float angle = 20.0f*i;
			if (i % 3 == 0)angle = glfwGetTime()*25.0f;		//将编号3的倍数的箱子和第一个箱子进行旋转
			model = glm::rotate(model, glm::radians(angle), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));	
			glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
			glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
		}
	
		trans = glm::mat4(1.0f);
		trans = glm::translate(trans, glm::vec3(-0.5, 0.5, 0.0));
		float scale = sin(glfwGetTime());
		trans = glm::scale(trans, glm::vec3(scale, scale, scale));//实际的变换顺序与阅读顺序相反
		glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(trans));
		//glDrawElements(GL_TRIANGLES,36, GL_UNSIGNED_INT, 0);	//绘制想要的物体
		//glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
		glfwSwapBuffers(window);	//函数会交换颜色缓冲（是一个储存着GLFW窗口每一个像素颜色的值得大缓冲）
		glfwPollEvents();	//函数检查有没有触发什么事件（比如键盘输入，鼠标移动等）、更新窗口状态
	}
	//删除所有分配的资源
	glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
	glDeleteBuffers(1, &VBO);
	//glDeleteBuffers(1, &EBO);

	glfwTerminate();	//渲染循环结束后需要正确释放/删除之前的分配的所有资源
	return 0;
}
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height)	//视口根据窗口大小调整的函数，两个整数表示窗口的新维度
{
	glViewport(0, 0, width, height);
}
void processInput(GLFWwindow *window)	//输入的控制
{
	float cameraSpeed = 2.5f*deltaTime;
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_W) == GLFW_PRESS)
		cameraPos += cameraSpeed*cameraFront;
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_S) == GLFW_PRESS)
		cameraPos -= cameraSpeed*cameraFront;
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_A) == GLFW_PRESS)
		cameraPos -= glm::normalize(glm::cross(cameraFront, cameraUp))*cameraSpeed;
	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_D) == GLFW_PRESS)
		cameraPos += glm::normalize(glm::cross(cameraFront, cameraUp))*cameraSpeed;

	if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)	//	glfwGetKey函数需要一个窗口以及一个按键作为输入，函数将会返回这个按键是否正在被按下
		glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xpos, double ypos)	//鼠标回调函数
{
	if (firstMouse)
	{
		lastX = xpos;
		lastY = ypos;
		firstMouse = false;
	}
	float xoffset = xpos - lastX;
	float yoffset = lastY - ypos;	//相反的，因为y坐标是从底部往顶部依次增大的
	lastX = xpos;
	lastY = ypos;
	float sensitivity = 0.05f;
	xoffset *= sensitivity;
	yoffset *= sensitivity;
	yaw += xoffset;
	pitch += yoffset;
	if (pitch > 89.0f)
		pitch = 89.0f;
	if (pitch < -89.0f)
		pitch = -89.0f;
	glm::vec3 front;
	front.x = cos(glm::radians(pitch))*cos(glm::radians(yaw));
	front.y = sin(glm::radians(pitch));
	front.z = cos(glm::radians(pitch))*sin(glm::radians(yaw));
	cameraFront = glm::normalize(front);
}
void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset)	//鼠标滚轮的回调函数
{
	if (fov >= 1.0f&&fov <= 45.0f)
		fov -= yoffset;
	if (fov <= 1.0f)
		fov = 1.0f;
	if (fov >= 45.0f)
		fov = 45.0f;
}