OpenGL学习笔记五——摄像机与坐标变换

五大坐标系统

• 局部空间(Local Space，或者称为物体空间(Object Space))
  局部坐标是对象中心或者轴心为原点的坐标，位置相对于对象中心或者轴心。

• 世界空间(World Space)
  世界空间坐标，在世界空间中，有一个坐标系，就如Unity引擎中物体的坐标。

• 观察空间(View Space，或者称为视觉空间(Eye Space))
  观察空间是以摄像机为原点的坐标系

• 裁剪空间(Clip Space)
  坐标到达观察空间之后，我们需要将其投影到裁剪坐标。裁剪坐标会被处理至-1.0到1.0的范围内，并判断哪些顶点将会出现在屏幕上。

• 屏幕空间(Screen Space)
  我们将裁剪坐标变换为屏幕坐标，我们将使用一个叫做视口变换(Viewport Transform)的过程。视口变换将位于-1.0到1.0范围的坐标变换到由glViewport函数所定义的坐标范围内。最后变换出来的坐标将会送到光栅器，将其转化为片段。

各个坐标系统之间的转换关系：

图片来源

• 局部空间到世界空间，需要乘上矩阵Model（模型矩阵）
• 世界空间变换到相机空间，乘上View（观察矩阵）
• 观察空间变换到裁剪空间乘上Projection（投影矩阵）
  即：
  Vclip=Mprojection⋅Mview⋅Mmodel⋅Vlocal

投影矩阵的两种形式——摄像机的2D和3D类型

关于GLM库，请参考链接

• 正交投影

使用GLM库函数进行模拟：

glm::ortho(0.0f, 800.0f, 0.0f, 600.0f, 0.1f, 100.0f);

前两个参数指定了平截头体的左右坐标，第三和第四参数指定了平截头体的底部和顶部。通过这四个参数我们定义了近平面和远平面的大小，然后第五和第六个参数则定义了近平面和远平面的距离。这个投影矩阵会将处于这些x，y，z值范围内的坐标变换为标准化设备坐标。

• 透视投影

使用GLM库函数进行模拟：

glm::mat4 proj = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)width/(float)height, 0.1f, 100.0f);

它的第一个参数定义了fov的值，它表示的是视野(Field of View)，并且设置了观察空间的大小。如果想要一个真实的观察效果，它的值通常设置为45.0f，但想要一个末日风格的结果你可以将其设置一个更大的值。第二个参数设置了宽高比，由视口的宽除以高所得。第三和第四个参数设置了平截头体的近和远平面。我们通常设置近距离为0.1f，而远距离设为100.0f。所有在近平面和远平面内且处于平截头体内的顶点都会被渲染。

实战

#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include "stb_image.h"

#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>


#include <iostream>

void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height);
void processInput(GLFWwindow *window);

// settings
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

int main()
{
   
   
	//初始化
	glfwInit();
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
	glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);



	// 创建窗口
	GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
	if (window == NULL)
	{
   
   
		std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
		glfwTerminate();
		return -1;
	}
	glfwMakeContextCurrent(window);
	glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

	// 错误提示信息
	if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
	{
   
   
		std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
		return -1;
	}

	// 开启深度测试（深度值粗略可视为与相机近平面的距离）
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);

	const char *vertexShaderSource =
		"#version 330 core\n"
		"layout(location = 0) in vec3 aPos; \n"
		"layout(location = 1) in vec2 aTexCoord; \n"
		"out vec2 TexCoord; \n"
		"uniform mat4 model; \n"
		"uniform mat4 view; \n"
		"uniform mat4 projection; \n"
		"void main()\n"
		"{\n"
		"gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0f);\n"
		"TexCoord = vec2(aTexCoord.x, aTexCoord.y);\n"
		"}";

		const char *fragmentShaderSource =
		"#version 330 core\n"
		"out vec4 FragColor;\n"
		"in vec2 TexCoord;\n"
		"uniform sampler2D texture1;\n"
		"uniform sampler2D texture2;\n"
		"void main()\n"
		"{\n"
		"FragColor=mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.2);\n"
		"}";


	//VertexShader创建顶点着色器
	int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
	glShaderSource(vertexShader, 1,<