Directx11教程(8) 一个新的camera类
本章我们将替换掉CameraClass类，实现一个稍微靠谱点的摄像机类。并通过Q,W,E,A,S,D,Z,X,C等按键实现摄像机的控制。
该类的主要功能就是根据指定的摄像机位置，up方向以及lookat方向，得到最终的视图矩阵，所谓视图矩阵就是把世界坐标系的顶点位置转化到视点（或者说摄像机）空间的矩阵。该类可以实现两种模式的摄像机操作，一类是AIRCRAFT摄像机，允许摄像机在空间自由运动，具有6个自由度。另一种是LANDOBJECT摄像机，只允许沿着某些特定的轴运动。
下面简单看下计算ViewMatrix的原理：
假设摄像机的局部坐标系为(S,W,Q),S, W, Q它们都是归一化向量， S是局部坐标的右(right)向轴(类似世界坐标系的x轴),W是局部坐标系的上(up)向轴（类似世界坐标系y轴）,Q是前(lookat)向轴（类似于世界坐标系的z轴），S向量表示为(Sx, Sy, Sz), up 向量表示为(Wx, Wy, Wz), Q向量表示为(Qx, Qy, Qz),摄像机的位置为(Px, Py, Pz)。
我们现在要把世界坐标系中的顶点A(x, y, z)，如果要转化到视觉坐标系(right,up, lookat)则需要做下面两步：
1、把视点移回原点，则转化矩阵为：
2.我们要把一个世界坐标系点K(Kx, Ky, Kz)，表示成(S,W,Q)坐标系的点（假设此时，已经经过平移操作，摄像机在世界坐标系的原点），则其公式为：
Lx = Kx * Sx + Ky * Sy + Kz * Sz;
Ly = Kx * Wx + Ky * Wy + Kz * Wz;
Lz = Kx * Qx + Ky * Qy + Kz * Qz
则转为矩阵为：
则世界坐标系到视觉坐标系的转化矩阵为上面两个矩阵相乘，最终的矩阵为：
通常在摄像机类中，都是给定up, lookat,或者lookat， right之后，通过差积的方式求得right或者up，然后再差积，最后求得正交归一化的的坐标系(S, W, Q)。
在本Camera类中，就是通过这种方式：
//根据lookup, right求得正交的up
D3DXVec3Cross(&_up, &_look, &_right);
//up归一化
D3DXVec3Normalize(&_up, &_up);
//根据up和lookup，求得正交的right
D3DXVec3Cross(&_right, &_up, &_look);
//righ再归一化
D3DXVec3Normalize(&_right, &_right);
CameraClass.h的代码如下：
#pragma once
#include <d3dx10math.h>
class CameraClass
{
//支持两种摄像机模型 AIRCRAFT 允许在空间自由运动,具有6个自由度
// LANDOBJECT 沿某些特定轴进行移动
public:
enum CameraType { LANDOBJECT, AIRCRAFT };
public:
CameraClass(void);
CameraClass(const CameraClass&);
~CameraClass(void);
void strafe(float units); // 左右
void fly(float units); // 上下
void walk(float units); // 前后
void pitch(float angle); // 旋转view坐标系right向量
void yaw(float angle); // 旋转up向量
void roll(float angle); // 旋转look向量
void getViewMatrix(D3DXMATRIX* V);
void setCameraType(CameraType cameraType);
void getPosition(D3DXVECTOR3* pos);
void setPosition(D3DXVECTOR3* pos);
void getRight(D3DXVECTOR3* right);
void getUp(D3DXVECTOR3* up);
void getLook(D3DXVECTOR3* look);
private:
CameraType _cameraType;
D3DXVECTOR3 _right;
D3DXVECTOR3 _up;
D3DXVECTOR3 _look;
D3DXVECTOR3 _pos;
};
CameraClass.cpp代码如下：
#include "CameraClass.h"
CameraClass::CameraClass(void)
{
_cameraType = AIRCRAFT;
_pos = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
_right = D3DXVECTOR3(1.0f, 0.0f, 0.0f);
_up = D3DXVECTOR3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
_look = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, 1.0f);
}
CameraClass::CameraClass(const CameraClass& other)
{
}
CameraClass::~CameraClass(void)
{
}
void CameraClass::getPosition(D3DXVECTOR3* pos)
{
*pos = _pos;
}
void CameraClass::setPosition(D3DXVECTOR3* pos)
{
_pos = *pos;
}
void CameraClass::getRight(D3DXVECTOR3* right)
{
*right = _right;
}
void CameraClass::getUp(D3DXVECTOR3* up)
{
*up = _up;
}
void CameraClass::getLook(D3DXVECTOR3* look)
{
*look = _look;
}
//行走，沿着摄像机观察方向的移动
void CameraClass::walk(float units)
{
// 仅在x,z平面移动
if( _cameraType == LANDOBJECT )
_pos += D3DXVECTOR3(_look.x, 0.0f, _look.z) * units;
if( _cameraType == AIRCRAFT )
_pos += _look * units;
}
//扫视，是指保持观察方向不变，沿向量right方向从一边平移到另一边
void CameraClass::strafe(float units)
{
// 仅在x,z平面移动
if( _cameraType == LANDOBJECT )
_pos += D3DXVECTOR3(_right.x, 0.0f, _right.z) * units;
if( _cameraType == AIRCRAFT )
_pos += _right * units;
}
//飞行模式，升降，指沿着向量up方向的移动
void CameraClass::fly(float units)
{
// 仅在y轴移动
if( _cameraType == LANDOBJECT )
_pos.y += units;
if( _cameraType == AIRCRAFT )
_pos += _up * units;
}
void CameraClass::pitch(float angle)
{
D3DXMATRIX T;
D3DXMatrixRotationAxis(&T, &_right, angle);
// 绕着right向量，旋转up和look
D3DXVec3TransformCoord(&_up,&_up, &T);
D3DXVec3TransformCoord(&_look,&_look, &T);
}
void CameraClass::yaw(float angle)
{
D3DXMATRIX T;
//对LANDOBJECT,总是绕着(0,1,0)旋转。
if( _cameraType == LANDOBJECT )
D3DXMatrixRotationY(&T, angle);
//对于aircraft,绕着up向量旋转
if( _cameraType == AIRCRAFT )
D3DXMatrixRotationAxis(&T, &_up, angle);
// 绕着up或者y轴，旋转right和look
D3DXVec3TransformCoord(&_right,&_right, &T);
D3DXVec3TransformCoord(&_look,&_look, &T);
}
void CameraClass::roll(float angle)
{
//只对aircraft模式才左roll旋转
if( _cameraType == AIRCRAFT )
{
D3DXMATRIX T;
D3DXMatrixRotationAxis(&T, &_look, angle);
// 绕着look向量，旋转up和right
D3DXVec3TransformCoord(&_right,&_right, &T);
D3DXVec3TransformCoord(&_up,&_up, &T);
}
}
void CameraClass::getViewMatrix(D3DXMATRIX* V)
{
// 保持view局部坐标系，各轴的彼此正交
D3DXVec3Normalize(&_look, &_look);
// look X right
D3DXVec3Cross(&_up, &_look, &_right);
D3DXVec3Normalize(&_up, &_up);
D3DXVec3Cross(&_right, &_up, &_look);
D3DXVec3Normalize(&_right, &_right);
// 生成view矩阵:
float x = -D3DXVec3Dot(&_right, &_pos);
float y = -D3DXVec3Dot(&_up, &_pos);
float z = -D3DXVec3Dot(&_look, &_pos);
(*V)(0,0) = _right.x; (*V)(0, 1) = _up.x; (*V)(0, 2) = _look.x; (*V)(0, 3) = 0.0f;
(*V)(1,0) = _right.y; (*V)(1, 1) = _up.y; (*V)(1, 2) = _look.y; (*V)(1, 3) = 0.0f;
(*V)(2,0) = _right.z; (*V)(2, 1) = _up.z; (*V)(2, 2) = _look.z; (*V)(2, 3) = 0.0f;
(*V)(3,0) = x; (*V)(3, 1) = y; (*V)(3, 2) = z; (*V)(3, 3) = 1.0f;
}
void CameraClass::setCameraType(CameraType cameraType)
{
_cameraType = cameraType;
}
修改GraphicsClass.h, 设置成员变量m_Camera为public，以便我们在GraphicsClass类中对齐进行操作。
class GraphicsClass
{
…
bool Frame();
CameraClass* m_Camera; //设为public，便于在SystemClass中控制
private:
…
};
SystemClass.cpp代码的Frame函数更新如下：
bool SystemClass::Frame()
{
bool result;
//检测用户是否按下ESC键，如果按下，退出程序.
if(m_Input->IsKeyDown(VK_ESCAPE))
{
return false;
}
//如果A,S,D,W,Q,E,Z,X,C键按下，移动摄像机
if(GetAsyncKeyState('W') & 0x8000) //前后
m_Graphics->m_Camera->walk(-0.1);
if(GetAsyncKeyState('S') & 0x8000)
m_Graphics->m_Camera->walk(0.1);
if(GetAsyncKeyState('A') & 0x8000) //左右
m_Graphics->m_Camera->strafe(-0.1);
if(GetAsyncKeyState('D') & 0x8000)
m_Graphics->m_Camera->strafe(0.1);
if(GetAsyncKeyState('Q') & 0x8000) //上下
m_Graphics->m_Camera->fly(-0.1);
if(GetAsyncKeyState('E') & 0x8000)
m_Graphics->m_Camera->fly(0.1);
if(GetAsyncKeyState('Z') & 0x8000)
m_Graphics->m_Camera->pitch(PI/180);
if(GetAsyncKeyState('X') & 0x8000)
m_Graphics->m_Camera->yaw(PI/180);
if(GetAsyncKeyState('C') & 0x8000)
m_Graphics->m_Camera->roll(PI/180);
//动画，旋转摄像机
m_Graphics->m_Camera->roll(PI/180);
// 执行帧渲染函数.
result = m_Graphics->Frame();
if(!result)
{
return false;
}
return true;
}
注意：我们在SystemClass.cpp中增加了摄像机旋转的代码，所以这个立方体就在哪儿不停转啊转，永不休止……
m_Graphics->m_Camera->roll(PI/180);
程序执行结果如下图，图中的立方体一直处于旋转状态（其实我们是在旋转摄像机)：
完整的代码请参考：
工程文件myTutorialD3D11_7
代码下载：