OpenGL进阶(十四) - UVN Camera实现

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