摄像机相关类的设计与实现

1、cCamera基类

SPE现在支持两种相机，模型预览和第一人称相机，它们都从cCamera类继承，cCamera类一来是提供所有摄像机的一些公共接口，二来是实现相机的一些公共功能。下面是它提供的一些关键的函数：

void LoadAllMatrix();

void SetViewport(int vx,int vy,int width,int height);

void SetProjParams(float fovY,float znear,float zfar);
void SetProjParams(ProjType prjtype,float left,float right,float bottom,float top,float znear,float zfar);

void SetViewParams(const VECTOR3D &pos,const VECTOR3D &cent,const VECTOR3D &up){
	SetViewParams(pos.x,pos.y,pos.z,cent.x,cent.y,cent.z,up.x,up.y,up.z);
}
void SetViewParams(float x,float y,float z,float cx,float cy,float cz,float upx,float upy,float upz);

// key & mouse handlers
virtual bool HandleMouse(MouseState state,int x,int y) {return false;}
virtual bool HandleMouseMove(MouseState state,int x,int y) {return false;}

virtual void Update(float appTime,float elapsedTime) {}

上面的一些非虚函数实现了所有相机的公共功能，如设置视口，设置视图参数和投影参数，ProjType是自定义的枚举类型，指示正交投影或透视投影；其他三个虚函数是处理鼠标事件和每帧更新事件的，提供给子类实现；另外cCamra类也维护了一组成员，如对应的视图矩阵，投影矩阵，视点位置，以及视点坐标系的三根轴向量坐标等。参数设置好之后，调用LoadAllMatrix()这个函数使Camera生效，它会设定视口，更新当前的视图矩阵和投影矩阵，一般在绘制相关的几何体之前被调用。

2、模型预览(ModelView)摄像机

顾名思义，模型预览相机是用来360度观察三维模型的，这种相机有一个固定的注视点，然后它可以以该注视点为球心，以注视点到相机位置的矩离为半径的球面上自由旋转；旋转方向是由鼠标控制的。在SPE中cModelViewCamera类表示这种相机，主要有下面三个函数实现：

void Fit2Box(const VECTOR3D &min_, const VECTOR3D &max_);
virtual bool HandleMouse(MouseState state,int x,int y);
virtual bool HandleMouseMove(MouseState state,int x,int y);

它重写了父类鼠标处理的两个函数，并提供了一个新函数Fit2Box()，它的功能是让摄像机聚焦到某个包围盒；鼠标处理函数的作用是根据鼠标位置更新视图参数；关于如何更新，请看图1，黑色的点表示相机的聚焦点，红色的点表示视点，相机根据两次鼠标位置在x坐标的偏移来确定绕y轴旋转的角度，根据在y坐标的偏移来确定绕x轴旋转的角度；为了计算机新的视图参数，先要确定旋转轴，y轴即为(0,1,0)即camera的up方向，x轴为相机坐标系中的x轴(side方向，图1左)；根据轴方向和角度可以计算出绕轴旋转矩阵，根据它可以计算机视点的新位置，之后调用基类的SetViewParams()重新设定相机参数即可。

图1：模型预览相机x,y旋转轴的确定，左：俯视图，右：前视图

实现中要注意的一个问题是，当绕x轴旋转时，look向量可能会与up向量(0,1,0)重合，这会导致视图矩阵计算错误，解决办法是检查新的look向量的y坐标是大于某个阈值，SPE设定为0.95，若大于则禁止本次操作。

3、第一人称(FirstPerson)相机

角色扮演游戏里经常用这种相机来跟踪角色，使角色总是处于视野中；这种相机把所有移动限制在xz平面，但可以左右上下观看；在SPE中用cFirstPersonCamera实现，由下面这几个关键函数组成：

void Update(float appTime, float elapsedTime);

bool HandleMouseMove( MouseState state,int x,int y );
bool HandleMouse( MouseState state,int x,int y );

这三个函数都是对父类虚函数的重写，鼠标处理函数用来绕side轴旋转look向量(上下观看)，Update函数每帧被调用，里面根据按键的状态来决定沿look轴前进后退，或者绕up轴旋转look向量(左右观看)，其中side,up,look分别是视点坐标系的三根轴，由基类cCamera维护。

实现中有两个问题需要注意，一是up轴与look向量重合的问题，解决方法跟ModelView方法一样，二是如何使camera的移动速度跟帧率无关，这里是直接用固定的移动速度，然后一帧中移动的距离结合elapsedTime计算出来，这样在帧率越高时移动越平滑，但帧率太低时可能会有抖动现象。