OpenGL 入门（七）— Camera（摄像机）
文章目录
- 前言
- 观察空间
-
- 摄像机位置
- 摄像机方向
- 右轴
- 上轴
- Look At
- 自由移动
-
- 移动速度
- 键盘控制相机移动
- 视角移动
-
- 欧拉角
- 视角缩放
- 旋转和缩放的代码实现
-
- 鼠标输入
- GLFW回调函数
- 完整源码
前言
OpenGL本身没有摄像机(Camera)的概念，但我们可以通过把场景中的所有物体往相反方向移动的方式来模拟出摄像机，产生一种我们在移动的感觉，而不是场景在移动。
名词介绍
LookAt矩阵： 一种特殊类型的观察矩阵，它创建了一个坐标系，其中所有坐标都根据从一个位置正在观察目标的用户旋转或者平移。
欧拉角(Euler Angles)： 被定义为偏航角(Yaw)，俯仰角(Pitch)，和滚转角(Roll)从而允许我们通过这三个值构造任何3D方向。
观察空间
观察空间(View Space)也叫摄像机空间（Camera Space）。
观察矩阵：可以把所有的世界坐标变换为相对于摄像机位置与方向的观察坐标。
要定义一个摄像机，我们需要它在世界空间中的位置、观察的方向、一个指向它右侧的向量以及一个指向它上方的向量。
摄像机位置
在OpenGL中定义一个摄像机的位置：
glm::vec3 cameraPos = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f);
从上面第二张图，可以看出正z轴是从屏幕指向你的，如果我们希望摄像机向后移动，我们就沿着z轴的正方向移动。
摄像机方向
摄像机的指向向量 = 场景原点向量 - 摄像机位置向量
当然，摄像机的指向向量是摄像机指向z轴负方向。
获得一个指向摄像机正z轴方向的向量：
glm::vec3 worldPoint= glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
glm::vec3 cameraDirection = glm::normalize(cameraPos - worldPoint);
右轴
两个向量叉乘的结果会同时垂直于两向量。所以可以通过叉乘求右向量(Right Vector)：
glm::vec3 up = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f); //定义一个上向量(Up Vector)
glm::vec3 cameraRight = glm::normalize(glm::cross(up, cameraDirection));
上轴
已经有了x轴向量和z轴向量，获取一个指向摄像机的正y轴向量：
glm::vec3 cameraUp = glm::cross(cameraDirection, cameraRight);
Look At
LookAt：OpenGL中定义一个视图(view)矩阵，与之关联的很多库都提供一个叫LookAt的函数。
工作目标是将世界坐标系中的所有物体的顶点的坐标从世界坐标系转换到摄像机坐标系。
视图(view)矩阵可以由两个矩阵合成，一个是将摄像机平移至原点的矩阵 T T T，一个是将坐标点从世界坐标系转换至摄像机坐标系的矩阵 S S S。
V i e w M a t r i x = S ∗ T = [ R x R y R z 0 U x U y U z 0 D x D y D z 0 0 0 0 1 ] ∗ [ 1 0 0 − P x 0 1 0 − P y 0 0 1 − P z 0 0 0 1 ] ViewMatrix=S*T= \left[\begin{array}{c} \color{red}R_{x} &\color{red}R_{y} &\color{red}R_{z}&0\\ \color{green}U_{x} &\color{green}U_{y}&\color{green}U_{z}&0 \\ \color{blue}D_{x} &\color{blue}D_{y}&\color{blue}D_{z}&0 \\ 0 &0&0&1 \\ \end{array}\right]*\left[\begin{array}{c} 1 &0&0&\color{brown}-P_x \\ 0 &1&0&\color{brown}-P_y \\ 0 &0&1&\color{brown}-P_z \\ 0 &0&0&1 \\ \end{array}\right] ViewMatrix=S∗T= RxUxDx0RyUyDy0RzUzDz00001 ∗ 100001000010−Px−Py−Pz1
其中 R \color{red}R R是右向量， U \color{green}U U是上向量， D \color{blue}D D是方向向量， P \color{brown}P P是摄像机位置向量。
注意，位置向量是相反的，因为我们最终希望把世界平移到与我们自身移动的相反方向。
接着使用GLM库创建一个LookAt矩阵，作为我们的观察矩阵：
glm::mat4 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));
这里介绍一下LookAt函数原型：
Mat4x4 LookAt(pos: vector3D, target: vector3D, up:vector3D)
pos为观察者当前的坐标（摄像机位置向量），target朝向的点坐标（右向量），up为观察者上方方向（上向量）。返回的就是一个视图矩阵。
实践：摄像机就会绕着场景旋转
我们是用lookAt函数在OpenGL创建摄像机随着时间流逝围绕场景转动：
float radius = 10.0f;
float camX = sin(glfwGetTime()) * radius;
float camZ = cos(glfwGetTime()) * radius;
glm::mat4 view;
view = glm::lookAt(glm::vec3(camX, 0.0, camZ), glm::vec3(0.0, 0.0, 0.0), glm::vec3(0.0, 1.0, 0.0));
创建顶点着色器和片元着色器 ：
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoord;
out vec2 TexCoord;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
void main()
{
gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0f);
TexCoord = vec2(aTexCoord.x, aTexCoord.y);
}
#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec2 TexCoord;
// texture samplers
uniform sampler2D texture1;
uniform sampler2D texture2;
void main()
{
FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.2);
}
完整源码
#include 效果展示：
自由移动
我们已经为GLFW的键盘输入定义过一个processInput函数了，我们来新添加几个需要检查的按键命令：
void processInput(GLFWwindow *window)
{
...
float cameraSpeed = 0.05f; // adjust accordingly
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;
}
当我们按下WASD键的任意一个，摄像机的位置都会相应更新。
如果我们希望向前或向后移动，我们就把位置向量加上或减去方向向量。
如果我们希望向左右移动，我们使用叉乘来创建一个右向量(Right Vector)，并沿着它相应移动就可以了。
移动速度
时间差(Deltatime)变量：是一个值，表示一帧的间隔时间。这个值在不同电脑里不一样。一旦乘了这个deltatime之后，每秒的变化量就是固定的了。
使用Deltatime时，无论你的电脑快还是慢，摄像机的速度都会相应平衡，这样每个用户的体验就都一样了。
我们跟踪两个全局变量来计算出deltaTime值：
float deltaTime = 0.0f; // 当前帧与上一帧的时间差
float lastFrame = 0.0f; // 上一帧的时间
...
//计算出新的deltaTime
float currentFrame = glfwGetTime();
deltaTime = currentFrame - lastFrame;
lastFrame = currentFrame;
...
//deltaTime，在计算速度的时候可以将其考虑进去 补帧
void processInput(GLFWwindow *window)
{
float cameraSpeed = 2.5f * deltaTime;
...
}
键盘控制相机移动
完整源码
#include 效果展示：
视角移动
欧拉角
欧拉角(Euler Angle)是可以表示3D空间中任何旋转的3个值，由莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)在18世纪提出。
一共有3种欧拉角：俯仰角(Pitch)、偏航角(Yaw)和滚转角(Roll)，下面的图片展示了它们的含义：
- 俯仰角是描述我们如何往上或往下看的角；
- 偏航角表示我们往左和往右看的程度；
- 滚转角代表我们如何翻滚摄像机，通常在太空飞船的摄像机中使用；
每个欧拉角都有一个值来表示，把三个角结合起来我们就能够计算3D空间中任何的旋转向量了。
基于俯仰角和偏航角的方向向量：
// 注意：direction代表摄像机的前轴(Front)，这个前轴是和本文第一幅图片的第二个摄像机的方向向量是相反的
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));
注意，使用欧拉角的摄像机系统并不完美。根据你的视角限制或者是配置，你仍然可能引入万向节死锁问题。
这里有个视频很好的解释了这一现象：【无伤理解欧拉角中的“万向死锁”现象】
由于在3D中旋转的概念对比本文其他部分，涉及到内容（欧拉角、四元数，万向锁等）比较复杂，这里我们只介绍实现不介绍原理，后面会单独写篇。
视角缩放
通过改变视野(Field of View)或fov的值，来实现我们可以看到场景中多大的范围视野。
projection = glm::perspective(glm::radians(fov), 800.0f / 600.0f, 0.1f, 100.0f);
旋转和缩放的代码实现
鼠标输入
旋转和缩放我们需要鼠标控制，这里我们引入鼠标输入监听事件：
glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_DISABLED);
在处理FPS风格摄像机的鼠标输入的时候，我们必须在最终获取方向向量之前做下面这几步：
- 计算鼠标距上一帧的偏移量。
- 把偏移量添加到摄像机的俯仰角和偏航角中。
- 对偏航角和俯仰角进行最大和最小值的限制。
- 计算方向向量。
脚本实现：
// 鼠标移动回调函数
void mouse_callback(GLFWwindow *window, double xpos, double ypos)
{
if (firstMouse)
{
lastX = static_cast<float>(xpos);
lastY = static_cast<float>(ypos);
firstMouse = false;
}
//第一步是计算鼠标自上一帧的偏移量。
float xoffset = static_cast<float>(xpos - lastX);
float yoffset = static_cast<float>(lastY - ypos); // reversed since y-coordinates go from bottom to top
lastX = static_cast<float>(xpos);
lastY = static_cast<float>(ypos);
float sensitivity = 0.1f; // change this value to your liking
xoffset *= sensitivity;
yoffset *= sensitivity;
//第二步 我们把偏移量加到全局变量pitch和yaw上
yaw += xoffset;
pitch += yoffset;
// 第三步，我们需要给摄像机添加一些限制
if (pitch > 89.0f)
pitch = 89.0f;
if (pitch < -89.0f)
pitch = -89.0f;
//第四也是最后一步，就是通过俯仰角和偏航角来计算以得到真正的方向向量：
glm::vec3 front;
front.x = cos(glm::radians(yaw)) * cos(glm::radians(pitch));
front.y = sin(glm::radians(pitch));
front.z = sin(glm::radians(yaw)) * cos(glm::radians(pitch));
cameraFront = glm::normalize(front);
}
GLFW回调函数
声明 鼠标回调，滚轮回调：
void mouse_callback(GLFWwindow *window, double xpos, double ypos);
void scroll_callback(GLFWwindow *window, double xoffset, double yoffset);
GLFW回调函数：
// 设置鼠标移动回调函数
glfwSetCursorPosCallback(window, mouse_callback);
// 设置滚轮滚动回调函数
glfwSetScrollCallback(window, scroll_callback);
完整源码
#include 效果展示：