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OpenGL中的基本变换

OpenGL中的基本变换

作者: 卡布奇诺_95d2 | 来源:发表于2020-08-16 16:07 被阅读0次

    OpenGL中的涉及到基本变换主要有5种:

    • 视图变换
      指定观察者的位置
    • 模型变换
      在场景中移动物体
    • 模型视图
      描述视图/模型变换的二元性(2种看到模型转换的方式)
    • 投影
      改变视景体大小和设置它的投影方式
    • 视口
      伪变化,对窗口上的最终输出进行缩放

    视图变换

    视图变换是应用到场景中的第一种变换,它用来确定场景中的有利位置,在默认情况下,透视投影中位于原点(0,0,0),并沿着z轴负方向进行观察(向“显示器”内部看过去)。
    当观察者点位于原点(0,0,0)时,就像在透视投影中一样。
    视图变换将观察者放在你希望的任何位置,并允许在任何方向上观察场景。确定视图变换就像在场景中放置观察者并让它朝着某一个方向进行观察。
    从大局上考虑,在应用任何其它模型变换之前,必须先应用视图变换这样做是因为,对于视觉坐标系而言,视图变换移动了当前工作的坐标系,后续变换都会基于新调整的坐标系而进行。

    模型变换

    用于操纵模型与其中某特定变换。这些变换将对象移动到需要的位置,主要是通过平移、旋转、缩放完成。

    • 平移:物体沿给定轴进行移动
    /*
    m:平移后矩阵的结果
    x:x轴上平移的距离
    y:y轴上平移的距离
    z:z轴上平移的距离
    */
    m3dTranslationMatrix44(M3DMatrix44f m, float x, float y, float z)
    
    image.png
    • 旋转:物体围绕给定的坐标轴进行旋转
    /*
    m:旋转后矩阵的结果
    angle:旋转的角度(使用角度时,需要转弧度)
    x:绕x轴旋转
    y:绕y轴旋转
    z:绕z轴旋转
    */
    void m3dRotationMatrix44(M3DMatrix44f m, float angle, float x, float y, float z);
    
    image.png
    • 缩放:根据物体大小进行放大/缩小的操作
    /*
    m:缩放后矩阵的结果
    xScale:x轴缩放比例
    yScale:y轴缩放比例
    zScale:z轴缩放比例
    */
    void m3dScaleMatrix44(M3DMatrix44f m, float xScale, float yScale, float zScale)
    
    image.png

    小技巧:

    物体的翻转不仅可以通过旋转实现,还可以通过缩放实现,当缩放的x/y/z参数值为-1时,可以实现物体围绕某个坐标轴翻转

    模型视图

    在模型变换中,两个变换的顺序不同,得到的结果也是不同的,如下图,先平移再旋转和先旋转再平移,得到的结果完全不一样。

    /*
    product:矩阵相乘的结果
    a:先变换的矩阵
    b:后变换的矩阵
    */
    void m3dMatrixMultiply44(M3DMatrix44f product, const M3DMatrix44f a, const M3DMatrix44f b);
    
    image.png

    这主要是因为模型变换的过程中,主要是矩阵进行相乘,然而矩阵是不满足交换律的。

    投影

    投影主要分2种:

    • 正投影:屏幕上物体与实际物体的比例是1:1,不进行放大缩小操作
    void SetOrthographic(GLfloat xMin, GLfloat xMax, GLfloat yMin, GLfloat yMax, GLfloat zMin, GLfloat zMax)
    
    • 透视投影:屏幕上物体与实际物体的比例是小于1:1的,且有远小近大的效果。
    void SetPerspective(float fFov, float fAspect, float fNear, float fFar)
    

    矩阵堆栈

    矩阵堆栈是由GLMatrixStack类创建的,程序全局只有一个矩阵堆栈,但是需要绘制的图形有多种,即变化有很多种,每个图形所需要变换的矩阵不相同,此时就可以利用堆栈先进后出的特性,即对顶层矩阵进行变化,此时不影响栈底的矩阵。
    矩阵堆栈最多只能放64个状态,API如下:

    image.png
    矩阵堆栈入栈、相乘、出栈流程如下:
    1. 原始矩阵堆栈中,拷贝一份栈顶矩阵。
    2. 当有变换操作时,将变换操作的矩阵与矩阵堆栈的栈顶相乘,然后再将其结果覆盖栈顶元素。
    3. 当还有其它变换时,继续重复步骤2。
    4. 当没有矩阵需要push时,即图形绘制完成,需要pop栈顶元素。

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