OpenGL中矩阵堆栈为什么要进行多次的压栈和出栈操作?

本文详细解释了OpenGL中矩阵堆栈(GLMatrixStack)的工作原理及其应用场景。通过压栈(PushMatrix)和出栈(PopMatrix)操作,可以有效管理3D场景中多个对象之间的相对位置与变换,尤其适用于复杂场景绘制。

对于OpenGL中矩阵堆栈的频繁压栈和出栈操作,一直不是很理解。今天搜集了一些资料,对频繁压栈、出栈的操作有了一定的了解。

OpenGL的矩阵堆栈类GLMatrixStack, 这个矩阵堆栈在初始化时候包含了单位矩阵。它的应用场合主要是在场景对象分层方式中,将一个对象或者多个对象相对于前一个对象进行绘制时。对于这句话的含义后面举例加以解释。在这种由多对象组成的复杂场景的3D空间,利用矩阵堆栈进行管理就会方便很多。GLMatrixStack::PushMatrix()和GLMatrixStack::PopMatrix()的配对使用目的是方便得到需要变换的最顶矩阵,同时消除上一次的变换对本次变换的影响,使本次变换是以世界坐标系(或父坐标系)的原点为参考点进行。

通俗一点解释:当你做了一些移动或旋转等变换后,使用PushMatrix(),OpenGL 会把这个变换后的位置和角度即当前状态,保存起来。然后你再随便做第二次移动或旋转变换,再调用PopMatrix(),将堆栈栈顶的状态矩阵弹出,OpenGL 就把刚刚保存的那个位置和角度进行恢复。那么后面进行的操作均是基于恢复之后的这个位置和角度进行变换的。这样就有一个非常大的好处,就是当你后面绘制的对象与之前的对象相关联时,相当于可以抛弃掉现在的状态,而回到之前的状态,减少变换的计算复杂度。

对上文画红色底纹的语句进行举例解释一下,

假设在场景中,绘制了一个汽车。在绘制汽车的时候需要同时绘制四个轮子。假如现在画笔位于车身的中心,那么绘制的基本过程就是:
1.记住车身中心的位置;
2.将画笔移动到左前轮的位置并绘制轮子;
3.回到车身的中心;
4.将画笔移动到右前轮的位置并绘制轮子;
... ...
PushMatrix其实就相当于“记住车身中心的位置”;
PopMatrix其实就相当于“回到车身的中心”;

上面这个例子还是非常形象的能够说明,矩阵堆栈进行压栈、出栈操作的原因。

在C++中,我们可以使用数组或动态内存分配(如`std::vector`)来实现堆栈。这里我会给出一个简单的基于数组的堆栈实现: ```cpp #include <iostream> // 定义堆栈的最大容量 const int MAX_SIZE = 50; class Stack { private: // 存储数据的数组 int data[MAX_SIZE]; // 顶元素的索引 int top; public: // 构造函数,初始化空堆栈 Stack() : top(-1) {} // 判断堆栈是否为空 bool isEmpty() const { return top == -1; } // 检查堆栈是否已满 bool isFull() const { return top == MAX_SIZE - 1; } // 操作(入) void push(int value) { if (isFull()) { std::cout << "Stack overflow!" << std::endl; return; } data[++top] = value; std::cout << "Pushed element: " << value << std::endl; } // 出栈操作(退) int pop() { if (isEmpty()) { std::cout << "Stack underflow!" << std::endl; return -1; // 返回特殊值表示失败 } return data[top--]; } // 获取堆栈顶部元素(但不删除) int peek() const { if (isEmpty()) { std::cout << "Stack is empty." << std::endl; return -1; // 返回特殊值表示无元素 } return data[top]; } }; int main() { Stack s; s.push(10); s.push(20); std::cout << "Top element: " << s.peek() << std::endl; std::cout << "Popped element: " << s.pop() << std::endl; return 0; } ``` 在这个例子中,我们创建了一个名为`Stack`的类,包含私有成员变量`data`存储数据、`top`记录顶位置以及几个公共方法:`push`用于,`pop`用于出栈,`peek`用于查看但不删除顶元素。注意,这个简单版本的堆栈没有处理异常情况,实际应用中需要添加适当的错误检查。
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