模型（Model）、观察（View）和投影（Projection）详解

 

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。

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。*

 

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：

转存失败重新上传取消

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(programID, "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(MatrixID, 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);
}