转‘OpenGl鼠标控制摄像机camera实现三维漫游

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提要

      3D游戏中最基本的一个功能就是3D漫游了，玩家可以通过键盘或者鼠标控制自己的视角。

      之前我们也学习过一个相关的函数，glLookAt，用来制定摄像机的位置，摄像机观察目标位置，还有摄像机的放置方式，我们可以通过不断地调用这个函数来实现3D漫游,但更方便的是抽象出一个摄像机类，实现一些摄像机的方法。

UVN相机

UVN使用三个相互垂直的向量来表示相机的位置与朝向：

1) 相机注视的向量N
2) 相机的上方向向量V
3) 相机的右方向向量U

如下图，是在世界坐标系下的UVN相机的向量表示：

绿色轴为N，蓝色轴为V，红色轴为U。

当要改变相机位置和朝向的时候，只需要将uvn矩阵和相应的变换矩阵相乘即可。

代码实现

这里借助了一个第三方矩阵向量库 - eigen。Ubuntu下的安装的过程非常简单，下载源码之后，解压，cd进目录：

mkdir build
cd build 
cmake ..
sudo make install

写一个头文件：

eigen.h

 #ifndef EIGEN_H
 #define EIGEN_H

 #include "eigen3/Eigen/Dense"
 #include "eigen3/Eigen/LU"
 #include "eigen3/Eigen/Core"

 #endif // EIGEN_H

放在工程目录下面，使用的时候包含进来就可以了。

看类声明：glcamera.h

 #ifndef GLCAMERA_H
 #define GLCAMERA_H
 #include "eigen.h"
 #include
 #include

 using namespace Eigen;
 class GLCamera
 {
 public:
     GLCamera();
     GLCamera(const Vector3d& pos, const Vector3d& target, const Vector3d& up);
     void setModelViewMatrix();
     void setShape(float viewAngle,float aspect,float Near,float Far);
     void slide(float du, float dv, float dn);
     void roll(float angle);
     void yaw(float angle);
     void pitch(float angle);
     float getDist();

 private:
     Vector3d m_pos;
     Vector3d m_target;
     Vector3d m_up;
     Vector3d u,v,n;

 };

 #endif // GLCAMERA_H

setModelViewMatrix：加载将当前MV矩阵。

setShape：设置摄像机的视角。

roll，yaw，pitch相当于绕N，V，U轴的旋转，如下图：

下面是相机的实现：

 #include "glcamera.h"

 GLCamera::GLCamera()
 {

 }

 GLCamera::GLCamera(const Vector3d &pos, const Vector3d &target, const Vector3d &up)
 {
     m_pos = pos;
     m_target = target;
     m_up = up;
     n = Vector3d( pos.x()-target.x(), pos.y()-target.y(), pos.z()-target.z());
     u = Vector3d(up.cross(n).x(), up.cross(n).y(), up.cross(n).z());
     v = Vector3d(n.cross(u).x(),n.cross(u).y(),n.cross(u).z());


     n.normalize();
     u.normalize();
     v.normalize();

     setModelViewMatrix();
 }

 void GLCamera::setModelViewMatrix()
 {
     double m[16];
     m[0]=u.x(); m[4]=u.y(); m[8]=u.z(); m[12]=-m_pos.dot(u);
     m[1]=v.x(); m[5]=v.y(); m[9]=v.z(); m[13]=-m_pos.dot(v);
     m[2]=n.x(); m[6]=n.y(); m[10]=n.z(); m[14]=-m_pos.dot(n);
     m[3]=0;  m[7]=0;  m[11]=0;  m[15]=1.0;
     glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
     glLoadMatrixd(m);     //用M矩阵替换原视点矩阵
 }

 void  GLCamera::setShape(float viewAngle, float aspect, float Near, float Far)
 {
     glMatrixMode(GL_PROJECTION);
     glLoadIdentity();                                   //设置当前矩阵模式为投影矩阵并归一化
     gluPerspective(viewAngle,aspect, Near, Far);        //对投影矩阵进行透视变换
 }

 void GLCamera::slide(float du, float dv, float dn)
 {
     //std::cout<<"u.x:"<
     m_pos(0) = m_pos(0) + du*u.x()+dv*v.x()+dn*n.x();
     m_pos(1) = m_pos(1) + du*u.y() +dv*v.y()+dn*n.y();
     m_pos(2) = m_pos(2) + du*u.z()+dv*v.z()+dn*n.z();
     m_target(0) = m_target(0)+du*u.x()+dv*v.x()+dn*n.x();
     m_target(1) = m_target(0)+du*u.y()+dv*v.y()+dn*n.y();
     m_target(2) = m_target(0)+du*u.z()+dv*v.z()+dn*n.z();
     setModelViewMatrix();
 }

 void GLCamera::roll(float angle)
 {
     float cs=cos(angle*3.14159265/180);
     float sn=sin(angle*3.14159265/180);
     Vector3d t(u);
     Vector3d s(v);
     u.x() = cs*t.x()-sn*s.x();
     u.y() = cs*t.y()-sn*s.y();
     u.z() = cs*t.z()-sn*s.z();

     v.x() = sn*t.x()+cs*s.x();
     v.y() = sn*t.y()+cs*s.y();
     v.z() = sn*t.z()+cs*s.z();

     setModelViewMatrix();          //每次计算完坐标轴变化后调用此函数更新视点矩阵
 }

 void GLCamera::pitch(float angle)
 {
     float cs=cos(angle*3.14159265/180);
     float sn=sin(angle*3.14159265/180);
     Vector3d t(v);
     Vector3d s(n);

     v.x() = cs*t.x()-sn*s.x();
     v.y() = cs*t.y()-sn*s.y();
     v.z() = cs*t.z()-sn*s.z();

     n.x() = sn*t.x()+cs*s.x();
     n.y() = sn*t.y()+cs*s.y();
     n.z() = sn*t.z()+cs*s.z();


     setModelViewMatrix();
 }

 void GLCamera::yaw(float angle)
 {
     float cs=cos(angle*3.14159265/180);
     float sn=sin(angle*3.14159265/180);
     Vector3d t(n);
     Vector3d s(u);

     n.x() = cs*t.x()-sn*s.x();
     n.y() = cs*t.y()-sn*s.y();
     n.z() = cs*t.z()-sn*s.z();

     u.x() = sn*t.x()+cs*s.x();
     u.y() = sn*t.y()+cs*s.y();
     u.z() = sn*t.z()+cs*s.z();

     setModelViewMatrix();
 }

 float  GLCamera::getDist()
 {
     float dist = pow(m_pos.x(),2)+pow(m_pos.y(),2)+pow(m_pos.z(),2);
     return pow(dist,0.5);
 }

没什么好说的，都是矩阵的一些计算。

这样就可以将你的摄像机融入到OpenGL工程中了，比如说放进一个Qt的工程，用一个GLWifget类来显示OpenGL。

在initializeGL() 中，初始化camera

 Vector3d pos(0.0, 0.0, 12.0);
   Vector3d target(0.0, 0.0, 0.0);
   Vector3d up(0.0, 1.0, 0.0);
   camera = new GLCamera(pos, target, up);

在paintGL的时候，设置当前矩阵：

 glLoadIdentity();
    camera->setModelViewMatrix();

在resizeGL中调整视角：

 camera->setShape(45.0, (GLfloat)width/(GLfloat)height, 0.1, 100.0);

添加相应的鼠标事件：

 void GLWidget::mousePressEvent(QMouseEvent *event)
 {
     lastPos = event->pos();
 }

 void GLWidget::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event)
 {
     int dx = event->x() - lastPos.x();
     int dy = event->y() - lastPos.y();
     if (event->buttons() & Qt::LeftButton)
     {
         RotateX(dx);
         RotateY(dy);
     }
     else if(event->buttons() & Qt::RightButton)
     {
         camera->roll(dx);
         //camera->pitch(dy);
         //camera->slide(0,0,-dy);
     }
     else if(event->buttons() & Qt::MiddleButton)
     {
         camera->slide(-dx,dy,0);
     }
     lastPos = event->pos();
     updateGL();
 }

 void GLWidget::RotateX(float angle)
 {
     float d=camera->getDist();
     int cnt=100;
     float theta=angle/cnt;
     float slide_d=-2*d*sin(theta*3.14159265/360);
     camera->yaw(theta/2);
     for(;cnt!=0;--cnt)
     {
         camera->slide(slide_d,0,0);
         camera->yaw(theta);
     }
     camera->yaw(-theta/2);
 }

 void GLWidget::RotateY(float angle)
 {
     float d = camera->getDist();
     int cnt=100;
     float theta=angle/cnt;
     float slide_d=2*d*sin(theta*3.14159265/360);
     camera->pitch(theta/2);
     for(;cnt!=0;--cnt)
     {
         camera->slide(0,slide_d,0);
         camera->pitch(theta);
     }
     camera->pitch(-theta/2);
 }

效果就像这样(gif 有点大，耐心等待)：

参考

openGL中camera类的设计以及使用 - http://blog.csdn.net/hobbit1988/article/details/7956838