本文来描述一些OpenGL中会遇到的有关坐标系的知识点。

一、坐标系及投影

1、2D笛卡尔坐标系

坐标由x,y决定

2D笛卡尔坐标系

2、3D笛卡尔坐标系

坐标由x,y,z决定

3D笛卡尔坐标系

3、窗口、视口

glViewport(GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei height)

窗口和视口大小不一样
窗口和视口大小一样

4、投影

投影有且仅有2种：（camera在这里不是相机的意思，是观察者视角，相当于眼睛）
正投影：显示2D效果（也叫：平行投影）
透视投影：显示3D效果（也叫：中心投影）

投影
投影

二、OpenGL中的坐标系

OpenGL中的坐标系系统包含了：物体坐标、世界坐标、裁剪/视觉坐标、规范化设备坐标、窗口坐标。如下图洋葱般的关系（一层包一层）：

坐标系关系图

左手坐标系：规范化设备坐标
右手坐标系：物体坐标、世界坐标、裁剪/视觉坐标

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1、物体坐标系

每个物体都有自己独立的坐标系，以自身为参照坐标。当物体旋转移动时，这个坐标系也会发生相对应的变化

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2、世界坐标系

世界坐标就是一个用户构造的固定的坐标系，方便描述这个坐标系下各种物体相对于原点的位置。

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3、惯性坐标系

惯性坐标系是指世界坐标系和物体坐标系转换的中间产物。惯性坐标系的原点和物体坐标系的原点重合，但惯性坐标系的轴和世界坐标系的轴平行。

为什么要引入惯性坐标系？
因为物体坐标系转换到惯性坐标系只需要旋转，从惯性坐标系转换到世界坐标系只需要平移。

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4、视觉坐标系（观察者坐标系）

视觉坐标系是从我们的眼睛出发朝我们的手机设备看过去所能看到的，会有一个z轴的最近距离和最远距离，也就是zNear和zFar，只有在这两者之间并且也满足x轴和Y轴坐标在屏幕当中的坐标才会显示出来，越远的东西会显示得越小，产生透视的效果。

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5、裁剪坐标系

裁剪坐标是执行矩阵变换和透视投影之后，但在执行透视除法之前的坐标。超出裁剪空间的坐标会被丢弃。

6、规范化设备坐标系

规范化设备坐标是以屏幕中心为原点，X轴朝右，Y轴朝上，所以左下角的坐标为(-1, -1)，右上角的坐标为(1,1)。当然这是z轴为0时的显示，实际上我们的规范化设备坐标系统是要考虑z轴，所以由平面要转换成一个正方体，原点坐标为(0,0,0)，也就是这个立方体的中心，而它左上角离我们最近的那个顶点的坐标就是(1,1,1)，右下角离我们最远的那个顶点的坐标就是(-1,-1,-1)。

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7、窗口坐标系（屏幕坐标系）

视窗坐标也就是我们手机窗口对应的坐标系统，以左上角为原点，右下角对应我们手机的最大像素值的集合，如下图是一个像素为320*480的手机，那他右下角的坐标就是(320,480)。

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三、坐标变换及过程

OpenGL将3D坐标进行一系列变换转化为2D坐标，最终显示在屏幕上的整个过程如下：

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在上述过程中，OpenGL只定义了裁剪坐标系、规范化坐标系、屏幕坐标系。而物体坐标系、世界坐标系、观察者坐标系是为了方便用户设计而自定义的坐标系。关系如下图：

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模型变换、视变换、投影变换 由用户在顶点着色器中完成。
透视除法、视口变换 由OpenGL在顶点着色器处理之后完成。

在开发中，从模型坐标系到裁剪坐标系的转变是通过矩阵运算得到的。这三个矩阵就是MVP矩阵（模型矩阵【M】、观察矩阵【V】、投影矩阵【P】）[ V_clip = M_pro * M_view * M_model * V_local ]。
在顶点着色器中完成计算之后，计算结果会交给gl_Position，然后OpenGL将会自动计算透视除法和裁剪。

1、模型变换

模型变换的目的：通过变换，使得用顶点定义或者3D模型软件构造的模型，能够按照需求，通过旋转、平移、缩放等操作，放置到场景中合适的位置。
通过模型变换后，物体的位置在全局的世界坐标系下，世界坐标系是所有物体交互的一个公共坐标系。

2、视变换

视变换是为了方便观察场景中的物体、方便计算而设立的坐标系。观察者坐标系中的坐标，是从相机的角度来解释世界坐标系中的位置。

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