OpenGL矩阵和坐标变换

第三课：矩阵

• 齐次坐标（Homogeneous coordinates）
• 变换矩阵（Transformation matrices）
  • 矩阵简介
  • 平移矩阵（Translation matrices）
  • 单位矩阵（Identity matrix）
  • 缩放矩阵（Scaling matrices）
  • 旋转矩阵（Rotation matrices）
  • 累积变换
• 模型（Model）、观察（View）和投影（Projection）矩阵
  • 模型矩阵
  • 观察矩阵
  • 投影矩阵
  • 复合变换：模型观察投影矩阵（MVP）
• 总结
• 练习

*引擎推动的不是飞船而是宇宙。飞船压根就没动过。* 《飞出个未来》

这是所有课程中最重要的一课。至少得看八遍。

齐次坐标（Homogeneous coordinates）

目前为止，我们仍然把三维顶点视为三元组(x,y,z)。现在引入一个新的分量w，得到向量(x,y,z,w)。请先记住以下两点（稍后我们会给出解释）：

• 若w==1，则向量(x, y, z, 1)为空间中的点。
• 若w==0，则向量(x, y, z, 0)为方向。

（请务必将此牢记在心。）

二者有什么区别呢？对于旋转，这点区别倒无所谓。当您旋转点和方向时，结果是一样的。但对于平移（将点沿着某个方向移动）情况就不同了。”平移一个方向”是毫无意义的。

齐次坐标使得我们可以用同一个公式对点和方向作运算。

变换矩阵（Transformation matrices）

矩阵简介

简而言之，矩阵就是一个行列数固定的、纵横排列的数表。比如，一个2x3矩阵看起来像这样：

三维图形学中我们只用到4x4矩阵，它能对顶点(x,y,z,w)作变换。这一变换是用矩阵左乘顶点来实现的：

矩阵x顶点（记住顺序！！矩阵左乘顶点，顶点用列向量表示）= 变换后的顶点

这看上去复杂，实则不然。左手指着a，右手指着x，得到ax。 左手移向右边一个数b，右手移向下一个数y，得到by。依次类推，得到cz、dw。最后求和ax + by + cz + dw，就得到了新的x！每一行都这么算下去，就得到了新的(x, y, z, w)向量。

这种重复无聊的计算就让计算机代劳吧。

用C++，GLM表示：

glm::mat4 myMatrix;
glm::vec4 myVector;
// fill myMatrix and myVector somehow
glm::vec4 transformedVector = myMatrix * myVector; // Again, in this order ! this is important.

用GLSL表示：

mat4 myMatrix;
vec4 myVector;
// fill myMatrix and myVector somehow
vec4 transformedVector = myMatrix * myVector; // Yeah, it's pretty much the same than GLM

（还没把这些代码粘贴到程序里调试吗？赶紧试试！）

平移矩阵（Translation matrices）

平移矩阵是最简单的变换矩阵。平移矩阵是这样的：

其中，X、Y、Z是点的位移增量。

例如，若想把向量(10, 10, 10, 1)沿X轴方向平移10个单位，可得：

（算算看！一定得亲手算！！）

这样就得到了齐次向量(20,10,10,1)！记住，末尾的1表示这是一个点，而不是方向。经过变换计算后，点仍然是点，这倒是挺合情合理的。

下面来看看，对一个代表Z轴负方向的向量作上述平移变换会得到什么结果：

还是原来的(0,0,-1,0)方向，这也很合理，恰好印证了前面的结论：”平移一个方向是毫无意义的”。

那怎么用代码表示平移变换呢？

用C++，GLM表示：

#include <glm/gtx/transform.hpp> // after <glm/glm.hpp>

glm::mat4 myMatrix = glm::translate(glm::mat4(), glm::vec3(10.0f, 0.0f, 0.0f));
glm::vec4 myVector(10.0f, 10.0f, 10.0f, 0.0f);
glm::vec4 transformedVector = myMatrix * myVector; // guess the result

用GLSL表示：呃，实际中我们几乎不用GLSL计算变换矩阵。大多数情况下在C++代码中用glm::translate()算出矩阵，然后把它传给GLSL。在GLSL中只做一次乘法：

vec4 transformedVector = myMatrix * myVector;

单位矩阵（Identity matrix）

单位矩阵很特殊，它什么也不做。单位矩阵的身份和自然数”1”一样基础而重要，因此在这里要特别提及一下。

用C++表示：

glm::mat4 myIdentityMatrix = glm::mat4(1.0);

缩放矩阵（Scaling matrices）

缩放矩阵也很简单：

例如把一个向量（点或方向皆可）沿各方向放大2倍：

w还是没变。您也许会问：”缩放一个向量”有什么用？嗯，大多数情况下是没什么用，所以一般不会去缩放向量；但在某些特殊情况下它就派上用场了。（顺便说一下，单位矩阵只是缩放矩阵的一个特例，其(X, Y, Z) = (1, 1, 1)。单位矩阵同时也是旋转矩阵的一个特例，其(X, Y, Z)=(0, 0, 0)）。

用C++表示：

// Use #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp> and #include <glm/gtx/transform.hpp>
glm::mat4 myScalingMatrix = glm::scale(2.0f, 2.0f ,2.0f);

旋转矩阵（Rotation matrices）

旋转矩阵比较复杂。这里略过细节，因为日常应用中，您并不需要知道矩阵的内部构造。 想了解更多，请看“矩阵和四元组常见问题”（这个资源很热门，应该有中文版吧）。

用C++表示：

// Use #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp> and #include <glm/gtx/transform.hpp>
glm::vec3 myRotationAxis( ??, ??, ??);
glm::rotate( angle_in_degrees, myRotationAxis );

累积变换

前面已经学习了如何旋转、平移和缩放向量。把这些矩阵相乘就能将它们组合起来，例如：

TransformedVector = TranslationMatrix * RotationMatrix * ScaleMatrix * OriginalVector;

！！！注意！！！这行代码首先执行缩放，接着旋转，最后才是平移。这就是矩阵乘法的工作方式。

变换的顺序不同，得出的结果也不同。您不妨亲自尝试一下：

• 向前一步（小心别磕着爱机）然后左转；
• 左转，然后向前一步

实际上，上述顺序正是你在变换游戏角色或者其他物体时所需的：先缩放；再调整方向；最后平移。例如，假设有个船的模型（为简化，略去旋转）：

• 错误做法：

  • 按(10, 0, 0)平移船体。船体中心目前距离原点10个单位。
  • 将船体放大2倍。以原点为参照，每个坐标都变成原来的2倍，就出问题了。最后您得到的是一艘放大的船，但其中心位于2*10=20。这并非您预期的结果。

• 正确做法：

  • 将船体放大2倍，得到一艘中心位于原点的大船。
  • 平移船体。船大小不变，移动距离也正确。

矩阵-矩阵乘法和矩阵-向量乘法类似，所以这里也会省略一些细节，不清楚的读者请移步矩阵和四元组常见问题 。现在，就让计算机来算：

用C++，GLM表示：

glm::mat4 myModelMatrix = myTranslationMatrix * myRotationMatrix * myScaleMatrix;
glm::vec4 myTransformedVector = myModelMatrix * myOriginalVector;

用GLSL表示：

mat4 transform = mat2 * mat1;
vec4 out_vec = transform * in_vec;

模型（Model）、观察（View）和投影（Projection）矩阵

在接下来的课程中，我们假定您已知如何绘制Blender经典模型小猴Suzanne。

利用模型、观察和投影矩阵，可以将变换过程清晰地分解为三个阶段。虽然此法并非必需（前两课我们就没用这个方法嘛），但采用此法较为稳妥。我们将看到，这种公认的方法对变换流程作了清晰的划分。

模型矩阵

这个三维模型和可爱的红色三角形一样，由一组顶点定义。顶点的XYZ坐标是相对于物体中心定义的：也就是说，若某顶点位于(0,0,0)，则其位于物体的中心。

我们希望能够移动它，玩家也需要用键鼠控制这个模型。这很简单，只需记住：缩放旋转平移就够了。在每一帧中，用算出的这个矩阵去乘（在GLSL中乘，不是在C++中！）所有的顶点，物体就会移动。唯一不动的是世界空间（World Space）的中心。

现在，物体所有顶点都位于世界空间。下图中黑色箭头的意思是：从模型空间（Model Space）（顶点都相对于模型的中心定义）变换到世界空间（顶点都相对于世界空间中心定义）。

下图概括了这一过程：

观察矩阵

这里再引用一下《飞出个未来》：

*引擎推动的不是飞船而是宇宙。飞船压根就没动过。*

仔细想想，摄像机的原理也是相通的。如果想换个角度观察一座山，您可以移动摄像机也可以……移动山。后者在实际中不可行，在计算机图形学中却十分方便。

起初，摄像机位于世界坐标系的原点。移动世界只需乘一个矩阵。假如你想把摄像机向右（X轴正方向）移动3个单位，这和把整个世界（包括网格）向左（X轴负方向）移3个单位是等效的！脑子有点乱？来写代码吧：

// Use #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp> and #include <glm/gtx/transform.hpp>
glm::mat4 ViewMatrix = glm::translate(glm::mat4(), glm::vec3(-3.0f, 0.0f, 0.0f));

下图展示了：从世界空间（顶点都相对于世界空间中心定义）到摄像机空间（Camera Space，顶点都相对于摄像机定义）的变换。

趁脑袋还没爆炸，来欣赏一下GLM强大的glm::LookAt函数吧：

glm::mat4 CameraMatrix = glm::LookAt(
    cameraPosition, // the position of your camera, in world space
    cameraTarget,   // where you want to look at, in world space
    upVector        // probably glm::vec3(0,1,0), but (0,-1,0) would make you looking upside-down, which can be great too
);

下图解释了上述变换过程：

好戏还在后头呢。

投影矩阵

现在，我们处于摄像机空间中。这意味着，经历了这么多变换后，现在一个坐标X==0且Y==0的顶点，应该被画在屏幕的中心。但仅有x、y坐标还不足以确定物体是否应该画在屏幕上：它到摄像机的距离（z）也很重要！两个x、y坐标相同的顶点，z值较大的一个将会最终显示在屏幕上。

这就是所谓的透视投影（perspective projection）：

好在用一个4x4矩阵就能表示这个投影¹ :

// Generates a really hard-to-read matrix, but a normal, standard 4x4 matrix nonetheless
glm::mat4 projectionMatrix = glm::perspective(
    glm::radians(FoV), // The vertical Field of View, in radians: the amount of "zoom". Think "camera lens". Usually between 90° (extra wide) and 30° (quite zoomed in)
    4.0f / 3.0f,       // Aspect Ratio. Depends on the size of your window. Notice that 4/3 == 800/600 == 1280/960, sounds familiar ?
    0.1f,              // Near clipping plane. Keep as big as possible, or you'll get precision issues.
    100.0f             // Far clipping plane. Keep as little as possible.
);

最后一个变换：

从摄像机空间（顶点都相对于摄像机定义）到齐次坐空间（Homogeneous Space）（顶点都在一个小立方体中定义。立方体内的物体都会在屏幕上显示）的变换。

最后一幅图示：

再添几张图，以便大家更好地理解投影变换。投影前，蓝色物体都位于摄像机空间中，红色的东西是摄像机的平截头体（frustum）：这是摄像机实际能看见的区域。

用投影矩阵去乘前面的结果，得到如下效果：

此图中，平截头体变成了一个正方体（每条棱的范围都是-1到1，图不太明显），所有的蓝色物体都经过了相同的变形。因此，离摄像机近的物体就显得大一些，远的显得小一些。这和现实生活一样！

让我们从平截头体的”后面”看看它们的模样：

这就是您得到的图像！看上去太方方正正了，因此，还需要做一次数学变换使之适合实际的窗口大小。

这就是实际渲染的图像啦！

复合变换：模型观察投影矩阵（MVP）

再来一连串深爱已久的标准矩阵乘法：

// C++ : compute the matrix
glm::mat4 MVPmatrix = projection * view * model; // Remember : inverted !

// GLSL : apply it
transformed_vertex = MVP * in_vertex;

总结

• 第一步：创建模型观察投影（MVP）矩阵。任何要渲染的模型都要做这一步。

// Projection matrix : 45° Field of View, 4:3 ratio, display range : 0.1 unit <-> 100 units
glm::mat4 Projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float) width / (float)height, 0.1f, 100.0f);

// Or, for an ortho camera :
//glm::mat4 Projection = glm::ortho(-10.0f,10.0f,-10.0f,10.0f,0.0f,100.0f); // In world coordinates

// Camera matrix
glm::mat4 View = glm::lookAt(
    glm::vec3(4,3,3), // Camera is at (4,3,3), in World Space
    glm::vec3(0,0,0), // and looks at the origin
    glm::vec3(0,1,0)  // Head is up (set to 0,-1,0 to look upside-down)
    );

// Model matrix : an identity matrix (model will be at the origin)
glm::mat4 Model = glm::mat4(1.0f);
// Our ModelViewProjection : multiplication of our 3 matrices
glm::mat4 mvp = Projection * View * Model; // Remember, matrix multiplication is the other way around

• 第二步：把MVP传给GLSL

// Get a handle for our "MVP" uniform
// Only during the initialisation
GLuint MatrixID = glGetUniformLocation(program_id, "MVP");

// Send our transformation to the currently bound shader, in the "MVP" uniform
// This is done in the main loop since each model will have a different MVP matrix (At least for the M part)
glUniformMatrix4fv(mvp_handle, 1, GL_FALSE, &mvp[0][0]);

• 第三步：在GLSL中用MVP变换顶点

// Input vertex data, different for all executions of this shader.
layout(location = 0) in vec3 vertexPosition_modelspace;

// Values that stay constant for the whole mesh.
uniform mat4 MVP;

void main(){
  // Output position of the vertex, in clip space : MVP * position
  gl_Position =  MVP * vec4(vertexPosition_modelspace,1);
}

• 搞定！三角形和第二课的一样，仍然在原点(0,0,0)，然而是从点(4,3,3)透视观察的；摄像机的朝上方向为(0,1,0)，视野（field of view）45°。

第6课中你会学到怎样用键鼠动态修改这些值，从而创建一个和游戏中类似的摄像机。但我们会先学给三维模型上色（第4课）、贴纹理（第5课）。

练习

• 试着修改glm::perspective的参数

• 试试用正交投影（orthographic projection ）（glm::ortho）替换透视投影

• 其他不变，把模型矩阵运算的顺序改成平移-旋转-缩放，会有什么变化？如果对一个人物作变换，您觉得什么顺序”最好”呢？

附注

• *
• * 1 : […]好在用一个4x4矩阵就能表示这个投影：实际上，这句话并不正确。透视变换不是仿射（affine）的，因此，透视投影无法完全由一个矩阵表示。向量与投影矩阵相乘之后，齐次坐标的每个分量都要除以自身的W（透视除法）。W分量恰好是-Z（投影矩阵会保证这一点）。这样，离原点更远的点，除以了较大的Z值；其X、Y坐标变小，点与点之间变紧密，物体看起来就小了，这才产生了透视效果。

参考文章：http://www.opengl-tutorial.org/cn/beginners-tutorials/tutorial-3-matrices/