从零开始写3D游戏引擎（开发环境VS2022+OpenGL）之九如何编写摄像机操纵镜头慢条斯理的保姆包教会系列

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/u012648507/article/details/146176101

前情回顾

按照惯例，先回顾一下之前的内容，在之前的博文里面，已经介绍了如何使用OpenGL在VS2022开发环境里面，如何添加纹理，如何旋转平移模型，如何做到图像透视。这些内容都可以访问我的博客文章进行回顾。

[!TIP]

从零开始写3D游戏引擎（开发环境VS2022+OpenGL）之八点五细嚼慢咽3D引擎的代码实现-优快云博客

从零开始写3D游戏引擎（开发环境VS2022+OpenGL）之八如何让自己的图形从2D变为3D，包含代码与解释的保姆包教会系列-优快云博客

从零开始写3D游戏引擎（开发环境VS2022+OpenGL）之七如何让自己的图形翻转平移旋转，包含代码与解释的保姆包教会系列-优快云博客

从零开始写3D游戏引擎（开发环境VS2022+OpenGL）之六如何给自己的图形添加纹理，包含代码与解释的保姆包教会系列-优快云博客

下面我要先介绍一下这篇博文要实现的技术目标。

学习目标

今天这篇博文的目的，是要掌握摄像机镜头的编写，可以让我们随着鼠标键盘的操纵，进入到模型内部，操纵整个模型的旋转与位移。效果图如下：

在这里插入图片描述

[!IMPORTANT]

本博客所写的源代码，可以在这个地址找到：

OpenGL设置面对3D模型的摄像机镜头的C++源码资源-优快云文库

在博客中出现源代码的使用时，将给出各个相应文件的关系。

摄像机

前面的教程中我们讨论了观察矩阵以及如何使用观察矩阵移动场景（我们向后移动了一点）。OpenGL本身没有摄像机(Camera)的概念，但我们可以通过把场景中的所有物体往相反方向移动的方式来模拟出摄像机，产生一种我们在移动的感觉，而不是场景在移动。

本节我们将会讨论如何在OpenGL中配置一个摄像机，并且将会讨论FPS风格的摄像机，让你能够在3D场景中自由移动。我们也会讨论键盘和鼠标输入，最终完成一个自定义的摄像机类。

摄像机/观察空间

当我们讨论摄像机/观察空间(Camera/View Space)的时候，是在讨论以摄像机的视角作为场景原点时场景中所有的顶点坐标：观察矩阵把所有的世界坐标变换为相对于摄像机位置与方向的观察坐标。要定义一个摄像机，我们需要它在世界空间中的位置、观察的方向、一个指向它右侧的向量以及一个指向它上方的向量。细心的读者可能已经注意到我们实际上创建了一个三个单位轴相互垂直的、以摄像机的位置为原点的坐标系。

在这里插入图片描述

1. 摄像机位置

获取摄像机位置很简单。摄像机位置简单来说就是世界空间中一个指向摄像机位置的向量。我们把摄像机位置设置为上一节中的那个相同的位置：

glm::vec3 cameraPos = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 3.0f);

不要忘记正z轴是从屏幕指向你的，如果我们希望摄像机向后移动，我们就沿着z轴的正方向移动。

2. 摄像机方向

下一个需要的向量是摄像机的方向，这里指的是摄像机指向哪个方向。现在我们让摄像机指向场景原点：(0, 0, 0)。还记得如果将两个矢量相减，我们就能得到这两个矢量的差吗？用场景原点向量减去摄像机位置向量的结果就是摄像机的指向向量。由于我们知道摄像机指向z轴负方向，但我们希望方向向量(Direction Vector)指向摄像机的z轴正方向。如果我们交换相减的顺序，我们就会获得一个指向摄像机正z轴方向的向量：

glm::vec3 cameraTarget = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
glm::vec3 cameraDirection = glm::normalize(cameraPos - cameraTarget);

方向向量(Direction Vector)并不是最好的名字，因为它实际上指向从它到目标向量的相反方向（译注：注意看前面的那个图，蓝色的方向向量大概指向z轴的正方向，与摄像机实际指向的方向是正好相反的）。

3. 右轴

我们需要的另一个向量是一个右向量(Right Vector)，它代表摄像机空间的x轴的正方向。为获取右向量我们需要先使用一个小技巧：先定义一个上向量(Up Vector)。接下来把上向量和第二步得到的方向向量进行叉乘。两个向量叉乘的结果会同时垂直于两向量，因此我们会得到指向x轴正方向的那个向量（如果我们交换两个向量叉乘的顺序就会得到相反的指向x轴负方向的向量）：

glm::vec3 up = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f); 
glm::vec3 cameraRight = glm::normalize(glm::cross(up, cameraDirection));

4. 上轴

现在我们已经有了x轴向量和z轴向量，获取一个指向摄像机的正y轴向量就相对简单了：我们把右向量和方向向量进行叉乘：

glm::vec3 cameraUp = glm::cross(cameraDirection, cameraRight);

在叉乘和一些小技巧的帮助下，我们创建了所有构成观察/摄像机空间的向量。对于想学到更多数学原理的读者，提示一下，在线性代数中这个处理叫做格拉姆—施密特正交化(Gram-Schmidt Process)。使用这些摄像机向量我们就可以创建一个LookAt矩阵了，它在创建摄像机的时候非常有用。

Look At

使用矩阵的好处之一是如果你使用3个相互垂直（或非线性）的轴定义了一个坐标空间，你可以用这3个轴外加一个平移向量来创建一个矩阵，并且你可以用这个矩阵乘以任何向量来将其变换到那个坐标空间。这正是LookAt矩阵所做的，现在我们有了3个相互垂直的轴和一个定义摄像机空间的位置坐标，我们可以创建我们自己的LookAt矩阵了：