WebGL 视图矩阵、模型视图矩阵

目录

立方体由三角形构成

视点和视线

视点、观察目标点和上方向

视点:

观察目标点:

上方向:

在WebGL中,观察者的默认状态应该是这样的:

视图矩阵程序(LookAtTriangles.js)

实际上,"根据自定义的观察者状态,绘制观察者看到的景象"与"使用默认的观察状态,但是对三维对象进行平移、旋转等变换,再绘制观察者看到的景象",这两种行为是等价的。(归根结底:不论视图怎样变化,无疑就是旋转、平移等操作,最终本质上都是对物体进行相反方向的旋转平移(默认的视角))

移动视点和移动被观察对象等效

从指定视点观察旋转后的三角形

<旋转后顶点坐标>=<旋转矩阵>×<原始顶点坐标>

<"从视点看上去"的旋转后顶点坐标>=<视图矩阵>×<旋转后顶点坐标>

<"从视点看上去"的旋转后顶点坐标>=<视图矩阵>×<旋转矩阵>×<原始顶点坐标>

<视图矩阵>×<模型矩阵>×<原始顶点坐标>

模型视图矩阵程序(LookAtRotatedTriangles.js)

模型视图矩阵

<模型视图矩阵>=<视图矩阵>×<模型矩阵>

<模型视图矩阵>×<顶点坐标>


立方体由三角形构成

三维物体也是由二维图形(特别是三角形)组成的。如下图所示,12个三角形组成了一个立方体。

既然三维物体是由三角形组成的,那么则需要逐个绘制组成物体的每个三角形,最终就可以绘制出整个三维物体了。但是,三维与二维还有一个显著区别:在绘制二维图形时,只需要考虑顶点的x和y坐标,而绘制三维物体时,还得考虑它们的深度信息 (depth information)。那就开始吧,首先我们来研究一下如何定义三维世界的观察者:在什么地方、朝哪里看、视野有多宽、能看多远。

视点和视线

三维物体与二维图形的最显著区别就是,三维物体具有深度,也就是Z轴。因此,你会遇到一些之前不曾考虑过的问题。事实上,我们最后还是得把三维场景绘制到二维的屏幕上,即绘制观察者看到的世界,而观察者可以处在任意位置观察。为了定义一个观察者,你需要考虑以下两点:

● 观察方向,即观察者自己在什么位置,在看场景的哪一部分?

● 可视距离,即观察者能够看多远?

我们将观察者所处的位置称为视点 (eye point),从视点出发沿着观察方向的射线称作视线(viewing direction)。本次将研究如何通过视点和视线来描述观察者。到下面我们再来研究"观察者能看多远"的问题。

我们来创建一个新的示例程序LookAtTriangles。在程序中,视点位于(0.20,0.25,0.25),视线向着原点(0,0,0)方向,可以看到原点附近有三个三角形。程序中的这三个三角形前后错落摆放,以帮助你理解三维场景中深度的概念。下图显示了LookAtTriangles的运行结果。

视点、观察目标点和上方向

为了确定观察者的状态,你需要获取两项信息:视点,即观察者的位置;观察目标点(look-at point),即被观察目标所在的点,它可以用来确定视线。此外,因为我们最后要把观察到的景象绘制到屏幕上,还需要知道上方向(up direction)。有了这三项信息,就可以确定观察者的状态了。下面将逐一进行解释(见下图)。

视点:

观察者所在的三维空间中位置,视线的起点。在接下来的几节中,视点坐标都用(eyeX,eyeY,eyeZ)表示。

观察目标点:

被观察目标所在的点。视线从视点出发,穿过观察目标点并继续延伸。注意,观察目标点是一个点,而不是视线方向,只有同时知道观察目标点和视点,才能算出视线方向。观察目标点的坐标用(atX,atY,atZ)表示。

上方向:

最终绘制在屏幕上的影像中的向上的方向。试想,如果仅仅确定了视点和观察点,观察者还是可能以视线为轴旋转的(如下图所示,头部偏移会导致观察到的场景也偏移了)。所以,为了将观察者固定住,我们还需要指定上方向。上方向是具有3个分量的矢量,用(upX,upY,upZ)表示。

在WebGL中,我们可以用上述三个矢量创建一个视图矩阵 (view matrix),然后将该矩阵传给顶点着色器。视图矩阵可以表示观察者的状态,含有观察者的视点、观察目标点、上方向等信息。 之所以被称为视图矩阵,是因为它最终影响了显示在屏幕上的视图,也就是观察者观察到的场景。根据提供的Matrix4.setLookAt()函数可以根据上述三个矢量:视点、观察点和上方向,来创建出视图矩阵 (矩阵库 WebGL矩阵变换库_山楂树の的博客-CSDN博客)。

在WebGL中,观察者的默认状态应该是这样的:

● 视点位于坐标系统原点(0,0,0)。

● 视线为Z轴负方向,观察点为(0,0,-1)

如果将上方向改为X轴正半轴方向(1,0,0),你将看到场景旋转了90度。

创建这样一个矩阵,你只需要简单地使用如下代码(见下图)。

现在,你已经了解了setLookAt()函数,下面来看示例程序的代码。

视图矩阵程序(LookAtTriangles.js)

程序显示了LookAtTriangles.js的代码,我们修改了视点,然后绘制了3个三角形,如上图三角形所示。实际上这3个三角形的颜色分别为蓝色到红色、黄色到红色和绿色到红色的渐变色。

javascript 复制代码
var VSHADER_SOURCE =
  'attribute vec4 a_Position;\n' +
  'attribute vec4 a_Color;\n' +
  'uniform mat4 u_ViewMatrix;\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  gl_Position = u_ViewMatrix * a_Position;\n' +
  '  v_Color = a_Color;\n' +
  '}\n';

var FSHADER_SOURCE =
  '#ifdef GL_ES\n' +
  'precision mediump float;\n' +
  '#endif\n' +
  'varying vec4 v_Color;\n' +
  'void main() {\n' +
  '  gl_FragColor = v_Color;\n' +
  '}\n';

function main() {
  var canvas = document.getElementById('webgl');
  var gl = getWebGLContext(canvas);
  if (!initShaders(gl, VSHADER_SOURCE, FSHADER_SOURCE)) {
    console.log('Failed to intialize shaders.');
    return;
  }
  // 设置顶点坐标和颜色(蓝色三角形在最前面)
  var n = initVertexBuffers(gl);
  gl.clearColor(0, 0, 0, 1);
  // 获取u_ViewMatrix变量的存储地址
  var u_ViewMatrix = gl.getUniformLocation(gl.program, 'u_ViewMatrix');
  // 设置视点、视线和上方向
  var viewMatrix = new Matrix4();
  viewMatrix.setLookAt(0.20, 0.25, 0.25, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
  // 将视图矩阵传给u_ViewMatrix变量
  gl.uniformMatrix4fv(u_ViewMatrix, false, viewMatrix.elements);
  gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);
  // 绘制三角形
  gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, n);
}

function initVertexBuffers(gl) {
  var verticesColors = new Float32Array([
    // 顶点和坐标颜色
     0.0,  0.5,  -0.4,  0.4,  1.0,  0.4, // 绿色三角形在最后面
    -0.5, -0.5,  -0.4,  0.4,  1.0,  0.4,
     0.5, -0.5,  -0.4,  1.0,  0.4,  0.4, 
     0.5,  0.4,  -0.2,  1.0,  0.4,  0.4, // 黄色三角形在中间
    -0.5,  0.4,  -0.2,  1.0,  1.0,  0.4,
     0.0, -0.6,  -0.2,  1.0,  1.0,  0.4, 
     0.0,  0.5,   0.0,  0.4,  0.4,  1.0,  // 蓝色三角形在最前面
    -0.5, -0.5,   0.0,  0.4,  0.4,  1.0,
     0.5, -0.5,   0.0,  1.0,  0.4,  0.4, 
  ]);
  var n = 9;
  // 创建缓冲区对象
  var vertexColorbuffer = gl.createBuffer();  
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, vertexColorbuffer);
  gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, verticesColors, gl.STATIC_DRAW);
  var FSIZE = verticesColors.BYTES_PER_ELEMENT;
  var a_Position = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Position');
  gl.vertexAttribPointer(a_Position, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, 0);
  gl.enableVertexAttribArray(a_Position);
  var a_Color = gl.getAttribLocation(gl.program, 'a_Color');
  gl.vertexAttribPointer(a_Color, 3, gl.FLOAT, false, FSIZE * 6, FSIZE * 3);
  gl.enableVertexAttribArray(a_Color);
  gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, null);
  return n;
}

首先,来看一下initVertexBuffers()函数(第42行)。verticesColors数组包含了3个三角形共计9个顶点的数据,而且顶点坐标的z分量也不再是0了。接着我们创建了缓冲区对象(第57行),并将数组中的数据填了进去(第58~59行)。此外,我们还把gl.drawArrays()的第3个参数改成了9(第39行),因为这里共有9个顶点。

然后,需要建立视图矩阵(包含了视点、视线和上方向信息)并传给顶点着色器。为此,我们先创建了一个Matrix4对象viewMatrix(第33行),然后用setLookAt()方法将其设置为视图矩阵(第34行),最后将视图矩阵中的元素传给顶点着色器中的u_ViewMatrix变量(第36行)。

实际上,"根据自定义的观察者状态,绘制观察者看到的景象"与"使用默认的观察状态,但是对三维对象进行平移、旋转等变换,再绘制观察者看到的景象",这两种行为是等价的。(归根结底:不论视图怎样变化,无疑就是旋转、平移等操作,最终本质上都是对物体进行相反方向的旋转平移(默认的视角))

举个例子,默认情况下视点在原点,视线沿着Z轴负方向进行观察。假如我们将视点移动到(0,0,1),如下图(左)所示。这时,视点与被观察的三角形在Z轴上的距离增加了1.0个单位。实际上,如果我们使三角形沿Z轴负方向移动1.0个单位,也可以达到同样的效果,因为观察者看上去是一样的,如下图(右)所示。

移动视点和移动被观察对象等效

事实上,上述过程就发生在示例程序LookAtTriangles.js中。根据视点、观察点和上方向参数,setLookAt()方法计算出的视图矩阵恰恰就是"沿着Z轴负方向移动1.0个单位"的变换矩阵。所以,把这个矩阵与顶点坐标相乘,就相当于获得了"将视点设置在(0.0,0.0,1.0)"的效果。视点移动的方向与被观察对象(也就是整个世界)移动的方向正好相反。对于视点的旋转,也可以采用类似的方式。

**"改变观察者的状态"与"对整个世界进行平移和旋转变换",本质上是一样的,它们都可以用矩阵来描述。**接下来,我们将从一个指定的视点来观察旋转后的三角形。

从指定视点观察旋转后的三角形

现在将修改LookAtTriangles 程序来绘制一个从指定位置看过去的旋转后的三角形。这时,我们需要两个矩阵:旋转矩阵(表示三角形的旋转)和视图矩阵(表示观察世界的方式)。首先有一个问题是,以怎样的顺序相乘这两个矩阵。

我们知道,矩阵乘以顶点坐标,得到的结果是顶点经过矩阵变换之后的新坐标。也就是说,用旋转矩阵乘以顶点坐标,就可以得到旋转后的顶点坐标。

**用视图矩阵乘以顶点坐标会把顶点变换到合适的位置,使得观察者(以默认状态)观察新位置的顶点,就好像在观察者处在(视图矩阵描述的)视点上观察原始顶点一样。**现在要在某个视点处观察旋转后的三角形,我们需要先旋转三角形,然后从这个视点来观察它。换句话说,我们需要先对三角形进行旋转变换,再对旋转后的三角形进行与"移动视点"等效的变换。我们按照上述顺序相乘两个矩阵。具体看一下等式。

我们知道,如果想旋转图形,就需要用旋转矩阵乘以旋转前的顶点坐标:

<旋转后顶点坐标>=<旋转矩阵>×<原始顶点坐标>

用视图矩阵乘以旋转后的顶点坐标,就可以获得"从视点看上去"的旋转后的顶点坐标:

<"从视点看上去"的旋转后顶点坐标>=<视图矩阵>×<旋转后顶点坐标>

将第1个式子代入第2个,可得:

<"从视点看上去"的旋转后顶点坐标>=<视图矩阵>×<旋转矩阵>×<原始顶点坐标>

除了旋转矩阵,你还可以使用平移、缩放等基本变换矩阵或它们的组合,这时矩阵被称为模型矩阵(model matrix)。这样,上式就可以写成:

<视图矩阵>×<模型矩阵>×<原始顶点坐标>

示例程序在着色器中实现了该式。很简单,直接照着该式修改顶点着色器。修改后的LootAtRotatedTriangles程序实现了上述变换,如下图所示。图中白色虚线为旋转前三角形的所在位置,可以看到三角形确实被旋转过了。

模型视图矩阵程序(LookAtRotatedTriangles.js)

LookAtRotatedTriangles.js与LookAtTriangles.js相比,只有几处小改动:加入了uniform变量u_ModelMatrix;JavaScript中的main()函数将模型矩阵传给该变量。相应的代码如下所示。

首先,顶点着色器中添加了uniform变量u_ModelMatrix(第7行),该变量从JavaScript中接收模型矩阵,以实现等式<视图矩阵>×<模型矩阵>×<原始顶点坐标>。

JavaScript的main()函数已经有了与视图矩阵相关的代码,只需添加几行计算和传入旋转矩阵的代码,将三角形绕Z轴旋转10度。第53行代码实现了获取u_ModelMatrix变量的存储地址,第64行实现了创建一个新的矩阵对象modelMatrix,调用Matrix.setRotate()将其设为旋转矩阵(第65行),然后传给顶点着色器中的u_ModelMatrix(第69行)。

运行示例程序,顶点坐标依次与旋转矩阵和视图矩阵相乘,最终获得了预期的效果。如上图所示,即先用u_ModelMatrix旋转三角形,再将旋转后的坐标用u_ViewMatrix变换到正确的位置,使其看上去就像是从指定视点处观察一样。

模型视图矩阵

LookAtRotatedTriangle .js中,着色器实现了式(视图矩阵×模型矩阵×原始坐标)。这样,程序对每个顶点都要计算视图矩阵×模型矩阵。如果顶点数量很多,这一步操作就会造成不必要的开销。 这是因为,无论对哪个顶点而言,式(视图矩阵×模型矩阵×原始坐标**)****中的两个矩阵相乘的结果都是一样的。所以我们可以在JavaScript中事先把这两个矩阵相乘的结果计算出来,再传给顶点着色器。这两个矩阵相乘得到的结果被称为模型视图矩阵(model view matrix)**,如下所示:

<模型视图矩阵>=<视图矩阵>×<模型矩阵>

视图矩阵×模型矩阵×原始坐标****可以重写为下式

<模型视图矩阵>×<顶点坐标>

新的示例程序LookAtRotatedTriangles_mvMatrix .js按照式<模型视图矩阵>×<顶点坐标>重写了LookAtRotatedTriangles中的代码,如下所示。

顶点着色器中出现了新的uniform变量u_mvMatrix,它参与了对gl_Position的计算(第9行)。顶点着色器执行的流程与最初的LookAtTriangles.js中一样(除了uniform变量的名称)。

在JavaScript代码中,我们分别计算出了视图矩阵viewMatrix和模型矩阵modelMatrix(第59~63行),就像在LookAtTriangle.js中一样。然后,我们调用Matrix4.multiply()方法使这两个矩阵相乘,并将结果赋值给modelviewMatrix (第66行)。注意,我们是在viewMatrix上调用了multiply()方法,并传入modelMatrix为参数,所以这样做的结果实际上就是modelViewMatrix=viewMatrix*modelMatrix 。因为在JavaScript中,我们不能像在GLSL ES中那样直接使用*号来进行矩阵相乘,而需要用矩阵库所提供的方法。

得到了modelViewMatrix后,就将它传给着色器的u_ModelMatrix变量(第69行)。运行程序,效果如下图所示。

最后还需要指出,示例程序显式地把视图矩阵和模型矩阵单独计算出来,再相乘为模型视图矩阵(第59~66行),是为了更好地表达模型视图矩阵的由来。实际上,只需要一行代码就可以计算出模型视图矩阵了:(计算出视图矩阵,再将视图矩阵与模型矩阵(当前只有旋转)相乘)

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