[OpenGLES] 透视投视投视投影的“小孔成像”原理

在OpenGL里经常会使用到两种投影方式:

  • 正交投影
  • 透视投影

物体在透视投影中会呈现出“近大远下”的透视现象大家应该不会陌生,但大家知道物体走到相机背后之后的透视呈现会是怎样的想象吗?

提问

设在画面右上角一个水壶,摄像机往当前的正面前进一段距离,直到画面右上角的点被绘制到摄像机的后面去。问这时这个水壶还在右上角吗?


在相机后面的水壶还在右上角吗?

回答

答案是:并不在
我们通过一组数据来看下现象。

我们取一组点,位置放在(x = 100, y = 100)处,这组点的z从100到-100每隔10取一个值
设一摄像机,放置在(0, 0, 0)出,看向(0, 0, -1)
求得的这组点在屏幕上的投影点如下:

point 齐次化NDC 非齐次化NDC
(100, 100, 100) (-0.75, -1.0, 1.006012) (75.0, 100.0, -100.6012, -100.0)
(100, 100, 90) (-0.8333333, -1.1111112, 1.0062346) (75.0, 100.0, -90.56112, -90.0)
(100, 100, 80) (-0.9375, -1.25, 1.0065129) (75.0, 100.0, -80.521034, -80.0)
(100, 100, 70) (-1.0714285, -1.4285715, 1.0068709) (75.0, 100.0, -70.48096, -70.0)
(100, 100, 60) (-1.25, -1.6666666, 1.007348) (75.0, 100.0, -60.440876, -60.0)
(100, 100, 50) (-1.5, -2.0, 1.008016) (75.0, 100.0, -50.4008, -50.0)
(100, 100, 40) (-1.875, -2.5, 1.009018) (75.0, 100.0, -40.360718, -40.0)
(100, 100, 30) (-2.5, -3.3333333, 1.010688) (75.0, 100.0, -30.320639, -30.0)
(100, 100, 20) (-3.75, -5.0, 1.014028) (75.0, 100.0, -20.28056, -20.0)
(100, 100, 10) (-7.5, -10.0, 1.024048) (75.0, 100.0, -10.240479, -10.0)
(100, 100, 0) (Infinity, Infinity, -Infinity) (75.0, 100.0, -0.2004008, 0.0)
(100, 100, -10) (7.5, 10.0, 0.9839679) (75.0, 100.0, 9.839679, 10.0)
(100, 100, -20) (3.75, 5.0, 0.99398786) (75.0, 100.0, 19.879757, 20.0)
(100, 100, -30) (2.5, 3.3333333, 0.99732786) (75.0, 100.0, 29.919836, 30.0)
(100, 100, -40) (1.875, 2.5, 0.99899787) (75.0, 100.0, 39.959915, 40.0)
(100, 100, -50) (1.5, 2.0, 0.99999994) (75.0, 100.0, 49.999996, 50.0)
(100, 100, -60) (1.25, 1.6666666, 1.0006679) (75.0, 100.0, 60.040073, 60.0)
(100, 100, -70) (1.0714285, 1.4285715, 1.001145) (75.0, 100.0, 70.080154, 70.0)
(100, 100, -80) (0.9375, 1.25, 1.0015029) (75.0, 100.0, 80.12023, 80.0)
(100, 100, -90) (0.8333333, 1.1111112, 1.0017813) (75.0, 100.0, 90.16032, 90.0)
(100, 100, -100) (0.75, 1.0, 1.0020039) (75.0, 100.0, 100.20039, 100.0)

NDC为标准化设备坐标系,在OpenGL中,被model * view * projection矩阵投影后的模型点就会被映射到NDC坐标系中。即屏幕横坐标范围为[-1, 1],方向从左向右;屏幕纵坐标范围为[-1,1],方向从下向上,屏幕中心点为(0, 0)原点。

从这组数据可以看出,齐次化后的坐标在穿过相机后会继续沿着视锥斜面反方向延伸出去,即出现小孔成像后的现象,如下图。

小孔成像的透视

所以,在相机后面的水壶,会投影在屏幕的左下角,而且上下颠倒、左右翻转

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