OpenGL进阶(十四) - UVN Camera实现
2024-09-03 00:51:42
提要
3D游戏中最基本的一个功能就是3D漫游了，玩家可以通过键盘或者鼠标控制自己的视角。
之前我们也学习过一个相关的函数，glLookAt，用来制定摄像机的位置，摄像机观察目标位置，还有摄像机的放置方式，我们可以通过不断地调用这个函数来实现3D漫游,但更方便的是抽象出一个摄像机类，实现一些摄像机的方法。
UVN相机
UVN使用三个相互垂直的向量来表示相机的位置与朝向：
1) 相机注视的向量N
2) 相机的上方向向量V
3) 相机的右方向向量U
如下图，是在世界坐标系下的UVN相机的向量表示：
绿色轴为N，蓝色轴为V，红色轴为U。
当要改变相机位置和朝向的时候，只需要将uvn矩阵和相应的变换矩阵相乘即可。
代码实现
这里借助了一个第三方矩阵向量库 - eigen。Ubuntu下的安装的过程非常简单，下载源码之后，解压，cd进目录：
mkdir build
cd build
cmake ..
sudo make install
写一个头文件：
eigen.h
#ifndef EIGEN_H
#define EIGEN_H #include "eigen3/Eigen/Dense"
#include "eigen3/Eigen/LU"
#include "eigen3/Eigen/Core" #endif // EIGEN_H
放在工程目录下面，使用的时候包含进来就可以了。
看类声明：glcamera.h
#ifndef GLCAMERA_H
#define GLCAMERA_H
#include "eigen.h"
#include <GL/glu.h>
#include <iostream> using namespace Eigen;
class GLCamera
{
public:
GLCamera();
GLCamera(const Vector3d& pos, const Vector3d& target, const Vector3d& up);
void setModelViewMatrix();
void setShape(float viewAngle,float aspect,float Near,float Far);
void slide(float du, float dv, float dn);
void roll(float angle);
void yaw(float angle);
void pitch(float angle);
float getDist(); private:
Vector3d m_pos;
Vector3d m_target;
Vector3d m_up;
Vector3d u,v,n; }; #endif // GLCAMERA_H
setModelViewMatrix：加载将当前MV矩阵。
setShape：设置摄像机的视角。
roll，yaw，pitch相当于绕N，V，U轴的旋转，如下图：
下面是相机的实现：
#include "glcamera.h" GLCamera::GLCamera()
{ } GLCamera::GLCamera(const Vector3d &pos, const Vector3d &target, const Vector3d &up)
{
m_pos = pos;
m_target = target;
m_up = up;
n = Vector3d( pos.x()-target.x(), pos.y()-target.y(), pos.z()-target.z());
u = Vector3d(up.cross(n).x(), up.cross(n).y(), up.cross(n).z());
v = Vector3d(n.cross(u).x(),n.cross(u).y(),n.cross(u).z()); n.normalize();
u.normalize();
v.normalize(); setModelViewMatrix();
} void GLCamera::setModelViewMatrix()
{
double m[16];
m[0]=u.x(); m[4]=u.y(); m[8]=u.z(); m[12]=-m_pos.dot(u);
m[1]=v.x(); m[5]=v.y(); m[9]=v.z(); m[13]=-m_pos.dot(v);
m[2]=n.x(); m[6]=n.y(); m[10]=n.z(); m[14]=-m_pos.dot(n);
m[3]=0; m[7]=0; m[11]=0; m[15]=1.0;
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadMatrixd(m); //用M矩阵替换原视点矩阵
} void GLCamera::setShape(float viewAngle, float aspect, float Near, float Far)
{
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity(); //设置当前矩阵模式为投影矩阵并归一化
gluPerspective(viewAngle,aspect, Near, Far); //对投影矩阵进行透视变换
} void GLCamera::slide(float du, float dv, float dn)
{
//std::cout<<"u.x:"<<u.x()<<std::endl;
m_pos(0) = m_pos(0) + du*u.x()+dv*v.x()+dn*n.x();
m_pos(1) = m_pos(1) + du*u.y() +dv*v.y()+dn*n.y();
m_pos(2) = m_pos(2) + du*u.z()+dv*v.z()+dn*n.z();
m_target(0) = m_target(0)+du*u.x()+dv*v.x()+dn*n.x();
m_target(1) = m_target(0)+du*u.y()+dv*v.y()+dn*n.y();
m_target(2) = m_target(0)+du*u.z()+dv*v.z()+dn*n.z();
setModelViewMatrix();
} void GLCamera::roll(float angle)
{
float cs=cos(angle*3.14159265/180);
float sn=sin(angle*3.14159265/180);
Vector3d t(u);
Vector3d s(v);
u.x() = cs*t.x()-sn*s.x();
u.y() = cs*t.y()-sn*s.y();
u.z() = cs*t.z()-sn*s.z(); v.x() = sn*t.x()+cs*s.x();
v.y() = sn*t.y()+cs*s.y();
v.z() = sn*t.z()+cs*s.z(); setModelViewMatrix(); //每次计算完坐标轴变化后调用此函数更新视点矩阵
} void GLCamera::pitch(float angle)
{
float cs=cos(angle*3.14159265/180);
float sn=sin(angle*3.14159265/180);
Vector3d t(v);
Vector3d s(n); v.x() = cs*t.x()-sn*s.x();
v.y() = cs*t.y()-sn*s.y();
v.z() = cs*t.z()-sn*s.z(); n.x() = sn*t.x()+cs*s.x();
n.y() = sn*t.y()+cs*s.y();
n.z() = sn*t.z()+cs*s.z(); setModelViewMatrix();
} void GLCamera::yaw(float angle)
{
float cs=cos(angle*3.14159265/180);
float sn=sin(angle*3.14159265/180);
Vector3d t(n);
Vector3d s(u); n.x() = cs*t.x()-sn*s.x();
n.y() = cs*t.y()-sn*s.y();
n.z() = cs*t.z()-sn*s.z(); u.x() = sn*t.x()+cs*s.x();
u.y() = sn*t.y()+cs*s.y();
u.z() = sn*t.z()+cs*s.z(); setModelViewMatrix();
} float GLCamera::getDist()
{
float dist = pow(m_pos.x(),2)+pow(m_pos.y(),2)+pow(m_pos.z(),2);
return pow(dist,0.5);
}
没什么好说的，都是矩阵的一些计算。
这样就可以将你的摄像机融入到OpenGL工程中了，比如说放进一个Qt的工程，用一个GLWifget类来显示OpenGL。
在initializeGL() 中，初始化camera
Vector3d pos(0.0, 0.0, 12.0);
Vector3d target(0.0, 0.0, 0.0);
Vector3d up(0.0, 1.0, 0.0);
camera = new GLCamera(pos, target, up);
在paintGL的时候，设置当前矩阵：
glLoadIdentity();
camera->setModelViewMatrix();
在resizeGL中调整视角：
camera->setShape(45.0, (GLfloat)width/(GLfloat)height, 0.1, 100.0);
添加相应的鼠标事件：
void GLWidget::mousePressEvent(QMouseEvent *event)
{
lastPos = event->pos();
} void GLWidget::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event)
{
int dx = event->x() - lastPos.x();
int dy = event->y() - lastPos.y();
if (event->buttons() & Qt::LeftButton)
{
RotateX(dx);
RotateY(dy);
}
else if(event->buttons() & Qt::RightButton)
{
camera->roll(dx);
//camera->pitch(dy);
//camera->slide(0,0,-dy);
}
else if(event->buttons() & Qt::MiddleButton)
{
camera->slide(-dx,dy,0);
}
lastPos = event->pos();
updateGL();
} void GLWidget::RotateX(float angle)
{
float d=camera->getDist();
int cnt=100;
float theta=angle/cnt;
float slide_d=-2*d*sin(theta*3.14159265/360);
camera->yaw(theta/2);
for(;cnt!=0;--cnt)
{
camera->slide(slide_d,0,0);
camera->yaw(theta);
}
camera->yaw(-theta/2);
} void GLWidget::RotateY(float angle)
{
float d = camera->getDist();
int cnt=100;
float theta=angle/cnt;
float slide_d=2*d*sin(theta*3.14159265/360);
camera->pitch(theta/2);
for(;cnt!=0;--cnt)
{
camera->slide(0,slide_d,0);
camera->pitch(theta);
}
camera->pitch(-theta/2);
}
效果就像这样(gif 有点大，耐心等待)：
参考
openGL中camera类的设计以及使用 - http://blog.csdn.net/hobbit1988/article/details/7956838
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