OpenGL系列（六）摄像机

在OpenGL系列（六）变换中，一个目标物体经过模型矩阵、观察矩阵和投影矩阵的变换才能正常显示出来，其中模型矩阵主要针对目标物体，它会影响物体的位姿。观察矩阵和投影矩阵主要针对观察者而已，这两个变换决定了观察者以怎样的视角观察世界，可以把观察者比作一台摄像机，摄像机拍摄景象的角度由观察矩阵和投影矩阵决定。

在本例中要实现摄像机类Camera，该类主要向外提供观察矩阵和投影矩阵，类定义如下。

class Camera {
public:
    Camera();
    virtual ~Camera();
    glm::mat4 getViewMatrix();
    virtual glm::mat4 getProjectionMatrix();
private:
    glm::vec3 mPosition = glm::vec3(0.0f,0.0f,1.0f);
    glm::vec3 mUp = glm::vec3(0.0f,1.0f,0.0f);
    glm::vec3 mRight = glm::vec3(1.0f,0.0f,0.0f);
    
};

在Camera类主要成员如下。

mPosition表示摄像机的位置。
mUp表示摄像机上方的方向。
mRight表示摄像机右边的方向。
getViewMatrix返回观察矩阵。
getProjectionMatrix返回投影矩阵。

投影矩阵有两种，一种是正交投影矩阵，一种是透视投影，因此可以从Camera派生出两个子类，一个是OrthographicCamera表示正交投影摄像机，一个是PerspectiveCamera表示透视投影摄像机。

正交投影摄像机类为OrthographicCamera，定义如下。

class OrthographicCamera: public Camera{
public:
    OrthographicCamera(float left,
                       float right,
                       float top,
                       float bottom,
                       float near,
                       float far);
    ~OrthographicCamera();

    glm::mat4 getProjectionMatrix() override;

private:
    float mLeft{0.0f};
    float mRight{0.0f};
    float mTop{0.0f};
    float mBottom{0.0f};
    float mNear{0.0f};
    float mFar{0.0f};
};

OrthographicCamera主要成员解析如下。

mLeft、mRight、mTop、mBottom、mNear、mFar分别表示裁剪空间的左、右、上、下、近、远。

getProjectionMatrix重新了父类的方法，返回正交投影摄像机的投影矩阵。

透视投影摄像机类为PerspectiveCamera，定义如下。

class PerspectiveCamera: public Camera{
public:
    PerspectiveCamera(float fovy, float aspect, float near, float far);
    ~PerspectiveCamera();

    glm::mat4 getProjectionMatrix() override;
private:
    float mFovy{0.0f};
    float mAspect{0.0f};
    float mNear{0.0f};
    float mFar{0.0f};
};

PerspectiveCamera主要成员解析如下。

mFovy表示视张角
mAspect表示宽高比
mNear表示近裁剪面
mFar表示远裁剪面。

类定义完后，接下来实现返回观察矩阵和投影矩阵。

观察矩阵的计算方法如下。

glm::mat4 Camera::getViewMatrix(){
    glm::vec3 front = glm::cross(mUp,mRight);
    glm::vec3 center = mPosition + front;
    return glm::lookAt(mPosition,center,mUp);
}

观察矩阵的计算步骤如下。

对mUp和mRight进行叉乘得到向前的向量
当前位置加上向前向量得到观察的中心点，只要沿着该向量向前任何一个点都可以作为观察中心点。
通过lookAt返回观察矩阵，第1个参数是摄像机的位置，第2个参数是观察中心点，第3个参数是摄像机向上的向量

正交投影摄像机和透视投影摄像机的观察矩阵是一样的，所以放到父类Camera实现，但是投影矩阵就有差异，所以放到各自子类实现。

正交投影摄像机的投影矩阵实现如下。

glm::mat4 OrthographicCamera::getProjectionMatrix() {
    return glm::ortho(mLeft,mRight,mBottom,mTop,mNear,mFar);
}

调用glm的ortho即可返回正交投影矩阵。

透视投影摄像机的投影矩阵实现如下。

glm::mat4 PerspectiveCamera::getProjectionMatrix() {
    return glm::perspective(glm::radians(mFovy),mAspect,mNear,mFar);
}

调用glm的perspective可返回投影投影矩阵。

该示例的工程已经上传到，地址如下

示例工程代码

在开发过程中，首先要确定射线机的类型，以确定是创建OrthographicCamera对象还是PerspectiveCamera对象，摄像机对象创建好以后，一般不会修改投影矩阵，但是经过修改摄像机的观察角度，通过对Camera的mPosition、mRight和mUp可以改变观察的角度。有以下情况。

修改mPosition可以摄像机的前后左右上下移动。

修改mUp可以实现类似点头的效果。

修改mRight可以实现摇头的效果

同时修改mUp和mRight可以实现观察角度的左右倾斜。

同时修改mPosition和mRight可以实现围绕某个点左右转动，假设围绕转动的点是某个物体的中心点，转动一圈可以观察到物体前后左右4个面

同时修改mPosition和mUp可以实现围绕某个点上下转动，转动一圈可以观察某个物体的上、下、前、后4个面。