3D Computer Grapihcs Using OpenGL - 11 Model View Projection Matrices
2024-08-27 20:18:52
本节我们将绘制一个3维物体，立方体。
如果要渲染3D物体，我们需要了解MVP（Model View Projection），它表示三个转换矩阵。实际上这个名字不够明确，更加确切的释义如下：
- Model - Model to World 模型空间到世界空间
- View - World to View 世界空间到视图空间
- Projection - View to Projection 视图空间到投影空间
要实现这三个转换矩阵，我们需要借助glm数学库提供的一些方便的结构体和函数。
重构
我们先对程序结构进行修改，对工程右键>Add > New Filter， 创建一个Primitives 文件夹，在其中创建两个文件，一个Vertex.h，一个ShapeData.h
Vertex.h中定义了一个Vertex结构体，它包含两个glm::vec3成员，分别表示位置和颜色。
#pragma once
#include <glm\glm.hpp> struct Vertex
{
glm::vec3 position;
glm::vec3 color;
};
ShapeData.h中定义了一个ShapeData结构体，包含四个成员变量，分别是
- Vertex* 类型：顶点数组指针
- Gluint类型：顶点数量
- GLushort* 类型：索引数组指针
- GLuint 类型：索引数组长度
另外还提供了构造函数，清理函数
#pragma once
#include <GL\glew.h>
#include "Vertex.h" struct ShapeData
{
ShapeData() :
vertices(), numVertices(), indices(), numIndices() {} Vertex* vertices;
GLuint numVertices;
GLushort* indices;
GLuint numIndices; GLsizeiptr vertexBufferSize() const
{
return numVertices * sizeof(Vertex);
}
GLsizeiptr indexBufferSize() const
{
return numIndices * sizeof(GLushort);
} void cleanUp()
{
delete[] vertices;
delete[] indices;
numVertices = numIndices = ;
}
};
此外还加入了一个新的类，ShapeGenerator
ShapeGenerator.h
#pragma once
#include <ShapeData.h> class ShapeGenerator
{
public:
static ShapeData makeCube();
};
ShapeGenerator.cpp
#include "ShapeGenerator.h"
#include "Vertex.h" #define NUM_ARRAY_ELEMENTS(a) sizeof(a) / sizeof(*a) ShapeData ShapeGenerator::makeCube()
{
ShapeData ret;
Vertex stackVerts[]=
{
glm::vec3(-1.0f, +1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(+1.0f, 0.0f, 0.0f), //Color
glm::vec3(+1.0f, +1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.0f, +1.0f, 0.0f), //Color
glm::vec3(+1.0f, +1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.0f, 0.0f, +1.0f), //Color
glm::vec3(-1.0f, +1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(+1.0f, +1.0f, +1.0f), //Color glm::vec3(-1.0f, +1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(+1.0f, 0.0f, +1.0f), //Color
glm::vec3(+1.0f, +1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.0f, 0.5f, 0.2f), //Color
glm::vec3(+1.0f, -1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.8f, 0.6f, 0.4f), //Color
glm::vec3(-1.0f, -1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.3f, +1.0f, +0.5f), //Color glm::vec3(+1.0f, +1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.2f, 0.5f, 0.2f), //Color
glm::vec3(+1.0f, +1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.9f, 0.3f, 0.7f), //Color
glm::vec3(+1.0f, -1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.3f, 0.7f, 0.5f), //Color
glm::vec3(+1.0f, -1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.5f, 0.7f, 0.5f), //Color glm::vec3(-1.0f, +1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.7f, 0.8f, 0.2f), //Color
glm::vec3(-1.0f, +1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.5f, 0.7f, 0.3f), //Color
glm::vec3(-1.0f, -1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.8f, 0.6f, 0.4f), //Color
glm::vec3(-1.0f, -1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.3f, +1.0f, +0.5f), //Color glm::vec3(+1.0f, +1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.7f, 0.8f, 0.2f), //Color
glm::vec3(-1.0f, +1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.5f, 0.7f, 0.3f), //Color
glm::vec3(-1.0f, -1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.8f, 0.6f, 0.4f), //Color
glm::vec3(+1.0f, -1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.3f, +1.0f, +0.5f), //Color glm::vec3(+1.0f, -1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.7f, 0.8f, 0.2f), //Color
glm::vec3(-1.0f, -1.0f, -1.0f), //
glm::vec3(0.5f, 0.7f, 0.3f), //Color
glm::vec3(-1.0f, -1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.8f, 0.6f, 0.4f), //Color
glm::vec3(+1.0f, -1.0f, +1.0f), //
glm::vec3(0.3f, +1.0f, +0.5f), //Color
}; ret.numVertices = NUM_ARRAY_ELEMENTS(stackVerts);
ret.vertices = new Vertex[ret.numVertices];
memcpy(ret.vertices, stackVerts, sizeof(stackVerts)); unsigned short stackIndices[] =
{
,,,,,,
,,,,,,
,,,,,,
,,,,,,
,,,,,,
,,,,,,
}; ret.numIndices = NUM_ARRAY_ELEMENTS(stackIndices);
ret.indices = new GLushort[ret.numIndices];
memcpy(ret.indices, stackIndices, sizeof(stackIndices));
return ret;
}
主要作用是提供了一个静态方法 makeCube，返回一个立方体的数据。
修改MyGlWindow类
#include <gl\glew.h>
#include "MyGlWindow.h"
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <glm\gtc\matrix_transform.hpp>
#include <ShapeGenerator.h> GLuint programID;
GLuint numIndices; void MyGlWindow::sendDataToOpenGL()
{ ShapeData shape = ShapeGenerator::makeCube(); GLuint vertexBufferID;
glGenBuffers(, &vertexBufferID);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexBufferID);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, shape.vertexBufferSize(), shape.vertices, GL_STATIC_DRAW); GLuint indexBufferID;
glGenBuffers(, &indexBufferID);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBufferID);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, shape.indexBufferSize(), shape.indices, GL_STATIC_DRAW); glEnableVertexAttribArray();
glVertexAttribPointer(, , GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * , ); glEnableVertexAttribArray();
glVertexAttribPointer(, , GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(GLfloat) * , (char*)(sizeof(GLfloat) * )); numIndices = shape.numIndices;
shape.cleanUp(); } void MyGlWindow::installShaders()
{
GLuint vertexShaderID = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
GLuint fragmentShaderID = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER); std::string tmp = ReadShaderCode("VertexShaderCode2.glsl");
const char* vertexShaderCode = tmp.c_str();
glShaderSource(vertexShaderID, , &vertexShaderCode, ); tmp = ReadShaderCode("FragmentShaderCode2.glsl");
const char* fragmentShaderCode = tmp.c_str();
glShaderSource(fragmentShaderID, , &fragmentShaderCode, ); glCompileShader(vertexShaderID);
glCompileShader(fragmentShaderID); programID = glCreateProgram();
glAttachShader(programID, vertexShaderID);
glAttachShader(programID, fragmentShaderID); glLinkProgram(programID); glUseProgram(programID);
} void MyGlWindow::initializeGL()
{
glewInit();
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
sendDataToOpenGL();
installShaders();
} void MyGlWindow::paintGL()
{
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glViewport(, , width(), height()); //更新：最新版本的glm中，glm::mat4()生成的是不是单位矩阵，而是零矩阵，这里要使用glm::mat4(1.0f)才可以
glm::mat4 modelTransformMatrix = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f,-3.0f));
glm::mat4 projectionMatrix = glm::perspective(30.0f, ((float)width()) / height(), 0.1f, 10.0f); GLint modelTransformUniformLocation = glGetUniformLocation(programID, "modelMatrix");
GLint projectionMatrixUniformLocation = glGetUniformLocation(programID, "projectionMatrix"); glUniformMatrix4fv(modelTransformUniformLocation, , GL_FALSE, &modelTransformMatrix[][]);
glUniformMatrix4fv(projectionMatrixUniformLocation, , GL_FALSE, &projectionMatrix[][]); glDrawElements(GL_TRIANGLES, numIndices, GL_UNSIGNED_SHORT, ); } std::string MyGlWindow::ReadShaderCode(const char* fileName)
{
std::ifstream myInput(fileName);
if (!myInput.good())
{
std::cout << "File failed to load..." << fileName;
exit();
}
return std::string(
std::istreambuf_iterator<char>(myInput),
std::istreambuf_iterator<char>());
}
Vertex Shader :
#version in layout(location=) vec3 position;
in layout(location=) vec3 vertexColor; uniform mat4 modelMatrix;
uniform mat4 projectionMatrix; out vec3 passingColor; void main()
{
vec4 v = vec4(position,1.0);
vec4 newPosition = modelMatrix * v;
gl_Position = projectionMatrix * newPosition;
passingColor= vertexColor;
}
Fragment Shader:
#version in vec3 passingColor;
out vec4 finalColor; void main()
{
finalColor = vec4(passingColor,1.0);
}
注意MyGlWindow的78-85行，是使用Uniform 变量的通用方法，使用的是Vertex Shader中第6-7行的两个uniform。
使用Uniform变量的步骤总结:
- 使用glGetUniformLocation获取Uniform变量的ID，并储存在一个GLint 变量中
- 使用glUnifomxxxx()类的函数和刚才得到的ID给Uniform赋值。
另外要注意85-86行，函数的最后一参数需要一个const GLfloat * 类型的变量，所以我们使用[0][0]获取矩阵的第一个元素，它是个GLfloat类型的，再对他使用取地址符&得到它的地址。
编译运行以后得到一个平面（实际上是立方体的一个面）：
我们在最开始提到了3个矩阵，但是这里只用到了两个，实际上少了第二个矩阵，World to View矩阵，这也正是为什么我们现在无法移动观察视角的原因，我们的相机被假设在世界原点，朝向-z的方向看去，这是默认的设置。后面我们会学习world to view的转换矩阵。
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