案例06:大球自转+小球公转+移动

OpenGL + OpenGL ES +Metal 系列文章汇总

这个案例是OpenGL中的一个比较经典的综合案例,结合了OpenGL中大部分知识点,下面就来了解下这个案例

先来看看最终的效果


案例-效果

整体的流程的如下


案例06:大球自转+小球公转+移动_第1张图片
整体流程

其中,比较重要的逻辑都在以下三个函数中

  • SetupRC函数
  • RenderScene函数
  • SpecialKeys函数

下面来详细说说整体的效果的实现,可以大致分为4部分

  • 地板
  • 大球(自转)
  • 小球(包含50个静态小球+1个围绕大球公转的动态小球)
  • 移动(特殊键位上下左右触发)

准备工作

流程图中的ChangeSize、main函数,这里就不作过多说明,相信大家对这两个函数已经印象非常深刻,如果还有不明白的,可以结合案例 03:金字塔、六边形、圆环的绘制先了解下这两个函数中到底做了哪些工作

地板

  • SetupRC函数:准备地板的顶点数据
  • RenderScene函数:利用平面着色器绘制地板

两个函数此时的流程图大致如下


案例06:大球自转+小球公转+移动_第2张图片
地板流程

大球

在地板绘制完成的基础上,绘制大球,并实现其自转功能,主要步骤如下

  • SetupRC函数:利用系统模型类创建大球
  • RenderScene函数:分为三部分
    • 设置定时器:基于时间的变化,记录当前时间的角度
    • 设置大球变换(仅平移一次,并随定时器旋转)及绘制大球
    • 开启定时器:通过提交重新渲染请求,实现定时器触发的效果

两个函数的流程图如下,图中红框部分流程均与大球相关


案例06:大球自转+小球公转+移动_第3张图片
打球流程

大球变换
大球变换的代码如下

    //5.使得大球位置平移(3.0)向屏幕里面
    modelViewMatrix.Translate(0.0f, 0.0f, -3.0f);
    //6.压栈(复制栈顶)
    modelViewMatrix.PushMatrix();
    //7.大球自转
    modelViewMatrix.Rotate(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
  • Translate:目的是为了更好的观察的大球,因为大球创建时默认是在(0,0,0)原点位置,当前的观察者也处于原点位置,不便于观察
  • PushMatrix:拷贝矩阵堆栈栈顶并压栈,此时只需要将大球平移一次,然后在平移后坐标基础上围绕y轴旋转,实现自转
  • Rotate:大球围绕y轴旋转,实现自转

自转的原理
仅为个人理解:可以将时间看作一个圆,大球映射到xoy平面上其实也是一个圆,然后基于时间的变化所得到的的角度,在大球的映射圆中也是同样的角度,然后大球基于上次的角度,再继续旋转α的角度,每360度是一个循环,以此来实现大球自转

案例06:大球自转+小球公转+移动_第4张图片
自转原理

小球

在绘制完大球的基础上,继续绘制小球

  • SetupRC函数:初始化小球数据
  • RenderScene函数:绘制静态+动态小球
    • 绘制50个静态小球:每绘制一个小球都需要push和pop
    • 矩阵堆栈记录平移+旋转的变换
    • 绘制动态小球

此时两个函数的流程图如下:


案例06:大球自转+小球公转+移动_第5张图片
小球流程

小球公转
其实小球的公转可以理解为: 自转+平移,如果只有rotate变换,那么小球就是在原地围绕y轴自转,但是此时大球跟小球是处于同一个位置的,为了更好的观察,需要将小球平移,与大球之间有一定的间隔,且每次旋转,小球旋转的角度是大球的两倍,意味着小球比大球转的快,公转原理如图所示

案例06:大球自转+小球公转+移动_第6张图片
公转原理
  • 注:这里的rotate+tranalate的顺序是不能互换的,因为矩阵相乘是叉乘,不满足交换律,详细的可参考八、了解OpenGL中的向量、矩阵其中的模型变换部分有提到,如果互换了得到的是另一种结果,经过测试,如果顺序是tranalate+rotate,此时的小球是县移动后旋转,意味着小球位置变换后,是在原地实现的自转。具体的可以自己修改代码试试。

移动

到这步,主要的功能都基本实现了,只需要在增加特殊键位的移动即可,此时的移动是作用于所有图形的,所以需要在绘制图形前增加一个观察者,用于记录所有图形的变换

此时,项目中setupRc、RenderScene、SpecialKeys总的流程图如下


案例06:大球自转+小球公转+移动_第7张图片
三个重要函数整体流程

到此,这个综合项目就完成啦。

完整的代码见github - 06_OpenGL_综合项目

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