C++游戏引擎开发指南：实现基础相机系统

最新推荐文章于 2025-06-12 09:09:49 发布

经梦鸽

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C++游戏引擎开发指南：实现基础相机系统

cpp-game-engine-book 从零编写游戏引擎教程 Writing a game engine tutorial from scratch 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cpp-game-engine-book

相机在游戏引擎中的重要性

在3D游戏引擎中，相机(Camera)是决定玩家如何观察虚拟世界的核心组件。它定义了场景的视角、视野范围和可见区域，相当于现实世界中的"眼睛"。本文将基于一个C++游戏引擎项目，讲解如何实现一个基础的相机系统。

相机的基本原理

相机在3D图形学中主要通过两个矩阵来定义：

视图矩阵(View Matrix)：决定相机的位置和朝向
投影矩阵(Projection Matrix)：决定相机的视野范围和裁剪平面

在之前的实现中，我们直接在代码中使用GLM数学库提供的函数来创建这两个矩阵：

glm::mat4 view = glm::lookAt(glm::vec3(0, 0, 10), glm::vec3(0, 0,0), glm::vec3(0, 1, 0));
glm::mat4 projection=glm::perspective(glm::radians(60.f),ratio,1.f,1000.f);

这种直接使用的方式虽然简单，但缺乏封装性和灵活性。接下来我们将这些功能封装到一个Camera类中。

Camera类的设计与实现

1. 基础Camera类结构

我们创建一个Camera类来封装相机的核心功能：

class Camera {
public:
    /// 设置相机视图参数
    /// @param cameraForward 相机朝前方向
    /// @param cameraUp 相机朝上方向
    void SetView(const glm::vec3& cameraForward, const glm::vec3& cameraUp);
    
    /// 设置相机投影参数
    /// @param fovDegrees 视野角度(度)
    /// @param aspectRatio 宽高比
    /// @param nearClip 近裁剪面距离
    /// @param farClip 远裁剪面距离
    void SetProjection(float fovDegrees, float aspectRatio, float nearClip, float farClip);
    
    // 获取视图矩阵
    glm::mat4& view_mat4() { return view_mat4_; }
    
    // 获取投影矩阵
    glm::mat4& projection_mat4() { return projection_mat4_; }
    
private:
    glm::mat4 view_mat4_;        // 视图矩阵
    glm::mat4 projection_mat4_;  // 投影矩阵
};

2. 关键方法实现

SetView方法

SetView方法使用GLM的lookAt函数创建视图矩阵：

void Camera::SetView(const glm::vec3& cameraForward, const glm::vec3& cameraUp) {
    // 假设相机位置由关联的Transform组件决定
    view_mat4_ = glm::lookAt(transform_->position(), cameraForward, cameraUp);
}

SetProjection方法

SetProjection方法使用GLM的perspective函数创建透视投影矩阵：

void Camera::SetProjection(float fovDegrees, float aspectRatio, float nearClip, float farClip) {
    projection_mat4_ = glm::perspective(glm::radians(fovDegrees), aspectRatio, nearClip, farClip);
}

在游戏引擎中使用Camera

1. 创建相机对象

在游戏引擎中，我们通常将Camera作为组件(Component)附加到游戏对象(GameObject)上：

// 创建相机游戏对象
auto go_camera = new GameObject("main_camera");

// 添加Transform组件并设置位置
auto transform_camera = dynamic_cast<Transform*>(go_camera->AddComponent("Transform"));
transform_camera->set_position(glm::vec3(0, 0, 10));

// 添加Camera组件
auto camera = dynamic_cast<Camera*>(go_camera->AddComponent("Camera"));

2. 每帧更新相机参数

在游戏主循环中，我们需要每帧更新相机参数：

while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
    // 设置相机视图和投影
    camera->SetView(glm::vec3(0, 0, 0), glm::vec3(0, 1, 0));
    camera->SetProjection(60.f, ratio, 1.f, 1000.f);
    camera->Clear();
    
    // 渲染场景
    mesh_renderer->SetView(camera->view_mat4());
    mesh_renderer->SetProjection(camera->projection_mat4());
    mesh_renderer->Render();
}