七、OpenGL中观察方式与矩阵的关系

目前在OpenGL中,矩阵的变换主要涉及两种观察方式:

  • 观察者不动,物体动
  • 观察者动,物体不动

两种方式涉及步骤大致总结如下:

  • ChangeSize函数
    设置投影方式,得到投影矩阵,并往矩阵堆栈中压入一个单元矩阵(单元矩阵的压入可省略)
    //创建投影矩阵,并将它载入投影矩阵堆栈中
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w)/float(h), 1.0f, 500.0f);
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    //调用顶部载入单元矩阵
    modelViewMatrix.LoadIdentity();
  • SetupRC函数
    设置观察者的位置
  • SpecialKeys函数
    决定物体/观察者围绕旋转的坐标轴
  • RenderScene函数
    完成矩阵的相应变换:入栈、相乘、出栈

下面我们来分别说说两种方式的区别

观察者不动,物体动

观察者不动,物体动

05_OpenGL 点/线/线段/线环/金字塔/六边形/圆柱的副本(观察者不动,物体动-objectFrame)的代码中

  • 设置观察者的位置
    ==> GLFrame中默认的方向是z轴的负方向 -- (0.0f, 0.0f, -1.0f)
    ==> 参数:表示离屏幕之间的距离。 负数,是往屏幕后面移动;正数,往屏幕前面移动
cameraFrame.MoveForward(-15.0f);
  • 在SpecialKeys函数中,进行旋转是物体

例如,按上键位,物体围绕x轴旋转 -5度

objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
  • RenderScene函数中,同时涉及观察者矩阵和物体矩阵的变换
    因为观察者设置位置时,往屏幕后面平移了15个像素点,所以观察者发生了变化
    在我们选中特殊键位移动图形时,物体进行了旋转,所以物体也发生了变化
    因此最后所需的mvp矩阵,需要按照压栈cameraFrame- 压栈objectFrame - 投影矩阵这个顺序进行矩阵变换,这个顺序是OpenGL规定的,且顺序是不能交换的,因为矩阵相乘不满足交换律, 即 矩阵A * 矩阵B != 矩阵B * 矩阵A
    //压栈
    modelViewMatrix.PushMatrix();
    M3DMatrix44f mCamera;
    cameraFrame.GetCameraMatrix(mCamera);

    //矩阵乘以矩阵堆栈的顶部矩阵,相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
    modelViewMatrix.MultMatrix(mCamera);
    
    M3DMatrix44f mObjectFrame;
    //只要使用 GetMatrix 函数就可以获取矩阵堆栈顶部的值,这个函数可以进行2次重载。用来使用GLShaderManager 的使用。或者是获取顶部矩阵的顶点副本数据
    objectFrame.GetMatrix(mObjectFrame);
    
    //矩阵乘以矩阵堆栈的顶部矩阵,相乘的结果随后简存储在堆栈的顶部
    modelViewMatrix.MultMatrix(mObjectFrame);
    
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);

其中矩阵堆栈的变化过程如下:


矩阵堆栈的变化过程
  • PushMatrix()函数,根据源码分析可知:在没有任何参数的情况下,矩阵堆栈会将栈顶单元矩阵拷贝一份,并将拷贝的单元矩阵入栈


    PushMatrix函数源码

观察者动,物体不动

观察者动,物体不动

在Demo05_OpenGL 点/线/线段/线环/金字塔/六边形/圆柱的副本(观察者动,物体不动-cameraFrame)代码中

  • 设置观察者的位置
    此时的objectFrame是指观察者,并不是物体
objectFrame.MoveForward(15.0f);
  • 在SpecialKeys函数中,进行旋转是观察者
objectFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
  • RenderScene函数中,仅涉及观察者的矩阵变换
    ==> 设置观察者位置时,观察者平移了15个像素点
    ==> 特殊键位触发时,观察者绕着相应的轴旋转了一定的弧度
    ==> 所以objectFrame不仅记录了往前移动的状态,还记录了旋转的转台,所以只需要将objectFrame载入矩阵堆栈即可, 即 把往前的变化、旋转的变化都 放入 模型矩阵堆栈中
modelViewMatrix.PushMatrix(objectFrame);
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);

其中矩阵堆栈的变化过程如下:


矩阵堆栈的变化过程

观察者矩阵中包含了观察者的所有变换,会直接在变换管道中完成矩阵相乘,最后通过变换管道得到mvp矩阵。

总结
其实选择哪种观察方式,还是需要结合需求,个人建议,哪种方便用哪个

  • 在观察者不动,物体动时,观察者也并非是一动不动,需要调整一个好的观察位置
  • 观察者动,主要动的是V_local,其实就是通过moveForward方法设置的观察者位置
  • 物体动,主要动的是mvp

疑问

  • 在观察者不动,物体动时,为什么不能直接这样写modelViewMatrix.PushMatrix(cameraFrame)

我们从PushMatrix(cameraFrame)的源码分析可知,如图所示,传入push函数的frame在 PushMatrix方法中获取的是GetMatrix,而我们需要的是GetCameraMatrix,所以不能直接将cameraFrame直接push到矩阵堆栈中

源码分析

``

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