OpenGL渲染管线之坐标系 （二）

本文图片引用自https://learnopengl-cn.readthedocs.io/

概述：

在OpenGL渲染的整个流程中，共涉及到这几个坐标系：局部坐标系（Object or model coordinates）、世界坐标系（World coordinates）、摄像机坐标系（Eye、Camera coordinates）、裁剪坐标系（Clip coordinates）、屏幕坐标系（Screen Coordinates）。

我们需要用到这几个矩阵：

模型矩阵（Model Matrix）、观察矩阵（View Matrix）、投影矩阵（Projection Matrix）。

坐标系与变换矩阵的关系：

局部坐标系 ——（模型矩阵）—— 世界坐标系 ——（观察矩阵）——摄像机坐标系——（投影矩阵）——裁剪坐标系

 各个矩阵及坐标系概述：

1. 局部坐标系：局部坐标系是物体内部的坐标系，他描述的是这个物体内部各个组成部分之间的相互关系，每个物体都会有一个他自己的局部坐标系。例如：一个正方形我们可以使用四个顶点来定义，我们约定，该正方形的局部坐标系的原点在正方向中心，那么正方形的四个顶点分别为[0.5, 0.5]，[-0.5, 0.5]，[-0.5, -0.5]，[0.5, -0.5]（逆时针方向）。如果有第二个相同的但是在不同位置的正方形，那么四个顶点的局部坐标也完全相同。不同的在于世界坐标不同。

2. 模型矩阵：将物体的坐标从局部坐标系转换到世界坐标系。上面的两个正方形的四个顶点的局部坐标完全一样，但是模型矩阵不一样，导致在世界坐标系中的位置不一样。如果Cube0在原点，那么Cube0的模型矩阵为E，Cube1的中心在X轴的1.0位置，那么就相当于将Cube0往X轴方向平移1.0距离，那个这个平移变换就是Cube1的模型矩阵，同理旋转缩放。

3. 世界坐标系：描述所有物体的顶点之间的相对位置。

4. 观察矩阵：将世界中的物体坐标转换到摄像机坐标系，用以模拟摄像机在世界的不同位置、以不同角度、不同视角观察世界。这里需要注意的是，摄像机坐标系的Z轴正方向对应的是摄像机屁股对应的方向，而不是镜头对应的方向。这样定义的好处是：Opengl屏幕坐标系的Z轴向屏幕外，当摄像器的Z轴和屏幕坐标系的Z轴方向也一样时便于计算，否则的话，转换过程都需要加上Z轴翻转，但是摄像机又需要向着屏幕内的物体，这样就导致了摄像机镜头向着屏幕里（Z轴负方向），摄像机屁股向着屏幕外（Z轴正方向）。

5. 摄像机坐标系：以摄像机为原点，描述世界中所有物体的相对位置。

6. 投影矩阵：将摄像机坐标系中的物体投影到裁剪空间，也即将3D投影到2D的过程。

7. 裁剪坐标系：描述最终显示到屏幕上的物体的相对位置，但不是距离。该坐标系的XY轴与屏幕坐标系的XY轴在同一个平面上，不同的地方在于，当我们在OpenGL中设置了ViewPort后，ViewPort空间即可认为是屏幕空间，它的原点在ViewPort的左下角。这时我们需要经过平移、旋转、缩放等转换（Z轴不变）得到屏幕坐标系内的顶点坐标。

两种投影方式：

1. 正射投影：平行投影，物体在投影面上的相对距离不会因为与投影面的距离的远近而改变。

   

2. 透视投影：射线投影，距离越远的线段，在投影面上的距离越短。