OpenGL 图形库的使用(八)—— 坐标系统之3D效果(二)

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刀客传奇
0.3 2017.09.05 11:19* 字数 2487

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V1.0 2017.09.05

前言

OpenGL 图形库项目中一直也没用过,最近也想学着使用这个图形库,感觉还是很有意思,也就自然想着好好的总结一下,希望对大家能有所帮助。
1. OpenGL 图形库使用(一) —— 概念基础
2. OpenGL 图形库使用(二) —— 渲染模式、对象、扩展和状态机
3. OpenGL 图形库使用(三) —— 着色器、数据类型与输入输出
4. OpenGL 图形库使用(四) —— Uniform及更多属性
5. OpenGL 图形库使用(五) —— 纹理
6. OpenGL 图形库使用(六) —— 变换
7. OpenGL 图形库的使用(七)—— 坐标系统之五种不同的坐标系统(一)

变换矩阵的组合

以下内容来自LearnOpenGL CN

上一篇文章中,每一个步骤都创建了一个变换矩阵:模型矩阵、观察矩阵和投影矩阵。一个顶点坐标将会根据以下过程被变换到裁剪坐标:

Vclip = Mprojection ⋅ Mview ⋅ Mmodel ⋅ Vlocal

注意矩阵运算的顺序是相反的(记住我们需要从右往左阅读矩阵的乘法)。最后的顶点应该被赋值到顶点着色器中的gl_PositionOpenGL将会自动进行透视除法和裁剪。

顶点着色器的输出要求所有的顶点都在裁剪空间内,这正是我们刚才使用变换矩阵所做的。OpenGL然后对裁剪坐标执行透视除法从而将它们变换到标准化设备坐标。OpenGL会使用glViewPort内部的参数来将标准化设备坐标映射到屏幕坐标,每个坐标都关联了一个屏幕上的点。这个过程称为视口变换。


3D

既然我们知道了如何将3D坐标变换为2D坐标,我们可以开始使用真正的3D物体,而不是枯燥的2D平面了。

在开始进行3D绘图时,我们首先创建一个模型矩阵。这个模型矩阵包含了位移、缩放与旋转操作,它们会被应用到所有物体的顶点上,以变换它们到全局的世界空间。让我们变换一下我们的平面,将其绕着x轴旋转,使它看起来像放在地上一样。这个模型矩阵看起来是这样的:

glm::mat4 model;
model = glm::rotate(model, glm::radians(-55.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));

通过将顶点坐标乘以这个模型矩阵,我们将该顶点坐标变换到世界坐标。我们的平面看起来就是在地板上,代表全局世界里的平面。

接下来我们需要创建一个观察矩阵。我们想要在场景里面稍微往后移动,以使得物体变成可见的(当在世界空间时,我们位于原点(0,0,0))。要想在场景里面移动,先仔细想一想下面这个句子:

将摄像机向后移动,和将整个场景向前移动是一样的。

这正是观察矩阵所做的,我们以相反于摄像机移动的方向移动整个场景。因为我们想要往后移动,并且OpenGL是一个右手坐标系(Right-handed System),所以我们需要沿着z轴的正方向移动。我们会通过将场景沿着z轴负方向平移来实现。它会给我们一种我们在往后移动的感觉。

下图就是一个右手坐标系的示例图,这里是回顾了,不是新的知识。

目前来说,观察矩阵是这样的:

glm::mat4 view;
// 注意,我们将矩阵向我们要进行移动场景的反方向移动。
view = glm::translate(view, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -3.0f));

最后我们需要做的是定义一个投影矩阵。我们希望在场景中使用透视投影,所以像这样声明一个投影矩阵:

glm::mat4 projection;
projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), screenWidth / screenHeight, 0.1f, 100.0f);

既然我们已经创建了变换矩阵,我们应该将它们传入着色器。首先,让我们在顶点着色器中声明一个uniform变换矩阵然后将它乘以顶点坐标:

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
...
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main()
{
    // 注意乘法要从右向左读
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
    ...
}

我们还应该将矩阵传入着色器(这通常在每次的渲染迭代中进行,因为变换矩阵会经常变动):

int modelLoc = glGetUniformLocation(ourShader.ID, "model"));
glUniformMatrix4fv(modelLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(model));
... // 观察矩阵和投影矩阵与之类似

我们的顶点坐标已经使用模型、观察和投影矩阵进行变换了,最终的物体应该会:

  • 稍微向后倾斜至地板方向。
  • 离我们有一些距离。
  • 有透视效果(顶点越远,变得越小)

下面看一下效果图。

它看起来就像是一个3D的平面,静止在一个虚构的地板上。如果你得到的不是相同的结果,请检查下完整的源代码


更多的3D

到目前为止,我们一直都在使用一个2D平面,而且甚至是在3D空间里!所以,让我们大胆地拓展我们的2D平面为一个3D立方体。要想渲染一个立方体,我们一共需要36个顶点(6个面 x 每个面有2个三角形组成 x 每个三角形有3个顶点),这36个顶点的位置你可以从这里获取。

为了有趣一点,我们将让立方体随着时间旋转:

model = glm::rotate(model, (float)glfwGetTime() * glm::radians(50.0f), glm::vec3(0.5f, 1.0f, 0.0f));

然后我们使用glDrawArrays来绘制立方体,但这一次总共有36个顶点。

glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

应该能得到下面这样的效果:

这的确有点像是一个立方体,但又有种说不出的奇怪。立方体的某些本应被遮挡住的面被绘制在了这个立方体其他面之上。之所以这样是因为OpenGL是一个三角形一个三角形地来绘制你的立方体的,所以即便之前那里有东西它也会覆盖之前的像素。因为这个原因,有些三角形会被绘制在其它三角形上面,虽然它们本不应该是被覆盖的。

幸运的是,OpenGL存储深度信息在一个叫做Z缓冲(Z-buffer)的缓冲中,它允许OpenGL决定何时覆盖一个像素而何时不覆盖。通过使用Z缓冲,我们可以配置OpenGL来进行深度测试。

1. Z缓冲

OpenGL存储它的所有深度信息于一个Z缓冲(Z-buffer)中,也被称为深度缓冲(Depth Buffer)。GLFW会自动为你生成这样一个缓冲(就像它也有一个颜色缓冲来存储输出图像的颜色)。深度值存储在每个片段里面(作为片段的z值),当片段想要输出它的颜色时,OpenGL会将它的深度值和z缓冲进行比较,如果当前的片段在其它片段之后,它将会被丢弃,否则将会覆盖。这个过程称为深度测试(Depth Testing),它是由OpenGL自动完成的。

然而,如果我们想要确定OpenGL真的执行了深度测试,首先我们要告诉OpenGL我们想要启用深度测试;它默认是关闭的。我们可以通过glEnable函数来开启深度测试。glEnableglDisable函数允许我们启用或禁用某个OpenGL功能。这个功能会一直保持启用/禁用状态,直到另一个调用来禁用/启用它。现在我们想启用深度测试,需要开启GL_DEPTH_TEST

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

因为我们使用了深度测试,我们也想要在每次渲染迭代之前清除深度缓冲(否则前一帧的深度信息仍然保存在缓冲中)。就像清除颜色缓冲一样,我们可以通过在glClear函数中指定DEPTH_BUFFER_BIT位来清除深度缓冲:

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

重新运行下程序看看OpenGL是否执行了深度测试:

就是这样!一个开启了深度测试,各个面都是纹理,并且还在旋转的立方体!如果你的程序有问题可以到这里下载源码进行比对。

2. 更多的立方体

现在我们想在屏幕上显示10个立方体。每个立方体看起来都是一样的,区别在于它们在世界的位置及旋转角度不同。立方体的图形布局已经定义好了,所以当渲染更多物体的时候我们不需要改变我们的缓冲数组和属性数组,我们唯一需要做的只是改变每个对象的模型矩阵来将立方体变换到世界坐标系中。

首先,让我们为每个立方体定义一个位移向量来指定它在世界空间的位置。我们将在一个glm::vec3数组中定义10个立方体位置:

glm::vec3 cubePositions[] = {
  glm::vec3( 0.0f,  0.0f,  0.0f), 
  glm::vec3( 2.0f,  5.0f, -15.0f), 
  glm::vec3(-1.5f, -2.2f, -2.5f),  
  glm::vec3(-3.8f, -2.0f, -12.3f),  
  glm::vec3( 2.4f, -0.4f, -3.5f),  
  glm::vec3(-1.7f,  3.0f, -7.5f),  
  glm::vec3( 1.3f, -2.0f, -2.5f),  
  glm::vec3( 1.5f,  2.0f, -2.5f), 
  glm::vec3( 1.5f,  0.2f, -1.5f), 
  glm::vec3(-1.3f,  1.0f, -1.5f)  
};

现在,在游戏循环中,我们调用glDrawArrays 10次,但这次在我们渲染之前每次传入一个不同的模型矩阵到顶点着色器中。我们将会在游戏循环中创建一个小的循环用不同的模型矩阵渲染我们的物体10次。注意我们也对每个箱子加了一点旋转:

glBindVertexArray(VAO);
for(unsigned int i = 0; i < 10; i++)
{
  glm::mat4 model;
  model = glm::translate(model, cubePositions[i]);
  float angle = 20.0f * i; 
  model = glm::rotate(model, glm::radians(angle), glm::vec3(1.0f, 0.3f, 0.5f));
  ourShader.setMat4("model", model);

  glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}

这段代码将会在每次新立方体绘制出来的时候更新模型矩阵,如此总共重复10次。然后我们应该就能看到一个拥有10个正在奇葩地旋转着的立方体的世界。

你可以对照一下源代码

后记

未完,待续~~

OC