【C++游戏引擎开发】第9篇：数学计算库GLM（线性代数）、CGAL（几何计算）的安装与使用指南

JuicyActiveGilbert2025-04-12 20:47

写在前面

两天都没手搓实现可用的凸包生成算法相关的代码，自觉无法手搓相关数学库，遂改为使用成熟数学库。

一、GLM库安装与介绍

1.1 vcpkg安装GLM

跨平台C++包管理利器vcpkg完全指南

在PowerShell中执行命令：

bash 复制代码 
vcpkg install glm

# 集成到系统目录，只需要执行一次，以前执行过就无需重复执行
vcpkg integrate install

1.2 GLM库基础数学对象

类型 描述 示例
vec2/3/4 2/3/4维浮点向量 vec3 position(1,2,3);
mat2/3/4 2x2、3x3、4x4浮点矩阵 mat4 view = lookAt(...);
quat 四元数（旋转表示） quat rotation = angleAxis(...);
dvec*/dmat* 双精度向量/矩阵 dmat4 highPrecisionMat;

1.3 GLM库使用示例代码（矩阵计算、四元数计算等）

cpp 复制代码 
// main.cpp
// main.cpp
#include <iostream>
#include <limits>

#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>

#define GLM_ENABLE_EXPERIMENTAL
#include <glm/gtx/string_cast.hpp>  // 用于矩阵字符串输出
#include <glm/gtx/quaternion.hpp>



// 打印GLM矩阵（带标签）
template<typename T>
void print_matrix(const std::string& name, const T& mat) {
    std::cout << name << ":\n" << glm::to_string(mat) << "\n\n";
}

// 定义OBB结构体
struct OBB {
    glm::vec3 center;     // 包围盒中心
    glm::vec3 extents;    // 包围盒半长（x, y, z方向的半径）
    glm::mat3 rotation;   // 旋转矩阵（局部到世界坐标的变换）
};

// 射线与OBB相交检测（返回相交距离，未相交返回-1）
float rayOBBIntersection(
    const glm::vec3& rayOrigin,
    const glm::vec3& rayDir,
    const OBB& obb,
    float maxDistance = std::numeric_limits<float>::max()
) {
    // 将射线转换到OBB局部空间
    glm::mat3 invRotation = glm::transpose(obb.rotation); // 旋转的逆矩阵
    glm::vec3 localOrigin = invRotation * (rayOrigin - obb.center);
    glm::vec3 localDir = invRotation * rayDir;

    // 射线与AABB相交检测（在局部空间）
    float tMin = 0.0f;
    float tMax = maxDistance;

    // 分别检查每个轴
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        float axisMin = -obb.extents[i] - localOrigin[i];
        float axisMax = obb.extents[i] - localOrigin[i];

        if (std::abs(localDir[i]) < 1e-6) { // 射线与轴平行
            if (localOrigin[i] < -obb.extents[i] || localOrigin[i] > obb.extents[i])
                return -1.0f;
        }
        else {
            float invDir = 1.0f / localDir[i];
            float t1 = axisMin * invDir;
            float t2 = axisMax * invDir;

            if (t1 > t2) std::swap(t1, t2);
            tMin = std::max(tMin, t1);
            tMax = std::min(tMax, t2);

            if (tMin > tMax) return -1.0f;
        }
    }

    return tMin;
}

// 在main函数中添加测试代码
void testRayOBB() {
    std::cout << "===== OBB射线检测测试 =====" << std::endl;

    // 创建一个旋转45度的OBB
    OBB obb;
    obb.center = glm::vec3(2.0f, 0.0f, 0.0f);
    obb.extents = glm::vec3(1.0f, 0.5f, 0.5f);
    obb.rotation = glm::mat3_cast(glm::angleAxis(glm::radians(45.0f), glm::vec3(0, 0, 1)));

    // 测试射线1：应相交
    glm::vec3 rayOrigin1(0.0f, 0.0f, 0.0f);
    glm::vec3 rayDir1 = glm::normalize(glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
    float t1 = rayOBBIntersection(rayOrigin1, rayDir1, obb);
    std::cout << "射线1结果: " << (t1 >= 0 ? "命中，距离=" + std::to_string(t1) : "未命中") << std::endl;

    // 测试射线2：应不相交
    glm::vec3 rayOrigin2(0.0f, 2.0f, 0.0f);
    glm::vec3 rayDir2 = glm::normalize(glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
    float t2 = rayOBBIntersection(rayOrigin2, rayDir2, obb);
    std::cout << "射线2结果: " << (t2 >= 0 ? "命中，距离=" + std::to_string(t2) : "未命中") << std::endl;

    // 测试射线3：从内部发射
    glm::vec3 rayOrigin3 = obb.center;
    glm::vec3 rayDir3 = glm::normalize(glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
    float t3 = rayOBBIntersection(rayOrigin3, rayDir3, obb);
    std::cout << "射线3结果: " << (t3 >= 0 ? "命中，距离=" + std::to_string(t3) : "未命中") << std::endl;

    std::cout << "\n";
}

int main() {
    // ======================
    // 1. 矩阵基本操作
    // ======================
    // 创建两个4x4矩阵
    glm::mat4 A(1.0f);  // 单位矩阵
    glm::mat4 B = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(2, 3, 4));  // 平移矩阵

    // 矩阵加法
    glm::mat4 C = A + B;
    print_matrix("Matrix A (Identity)", A);
    print_matrix("Matrix B (Translation)", B);
    print_matrix("Matrix C = A + B", C);

    // 矩阵减法
    glm::mat4 D = B - A;
    print_matrix("Matrix D = B - A", D);

    // 矩阵乘法（组合变换）
    glm::mat4 trans = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(1, 0, 0));
    glm::mat4 scale = glm::scale(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(2, 2, 2));
    glm::mat4 combined = trans * scale;  // 先缩放后平移
    print_matrix("Combined Matrix (Scale then Translate)", combined);

    // ======================
    // 2. 矩阵求逆
    // ======================
    glm::mat4 invB = glm::inverse(B);
    print_matrix("Inverse of Matrix B", invB);

    // 验证B * invB ≈ Identity
    glm::mat4 identityCheck = B * invB;
    print_matrix("B * invB (Should be Identity)", identityCheck);

    // ======================
    // 3. 四元数操作
    // ======================
    // 创建绕Y轴旋转45度的四元数
    glm::quat q1 = glm::angleAxis(glm::radians(45.0f), glm::vec3(0, 1, 0));

    // 创建绕X轴旋转30度的四元数
    glm::quat q2 = glm::angleAxis(glm::radians(30.0f), glm::vec3(1, 0, 0));

    // 四元数插值（球面线性插值）
    glm::quat slerped = glm::slerp(q1, q2, 0.5f);

    // 将四元数转换为旋转矩阵
    glm::mat4 rotMat = glm::mat4_cast(slerped);
    print_matrix("Rotation Matrix from Slerped Quaternion", rotMat);

    // 使用四元数旋转向量
    glm::vec3 originalVec(1, 0, 0);
    glm::vec3 rotatedVec = slerped * originalVec;
    std::cout << "Original Vector: (" << originalVec.x << ", " << originalVec.y << ", " << originalVec.z << ")\n";
    std::cout << "Rotated Vector: (" << rotatedVec.x << ", " << rotatedVec.y << ", " << rotatedVec.z << ")\n\n";

    testRayOBB();

    return 0;
}

二、CGAL库安装与使用

2.1 vcpkg安装CGAL库

在PowerShell中执行命令：

bash 复制代码 
vcpkg install cgal

注：安装过程较长，很慢。

2.2 CGAL示例代码（凸包生成、三角剖分）

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>  // 添加iterator头文件
#include <CGAL/Exact_predicates_inexact_constructions_kernel.h>
#include <CGAL/convex_hull_2.h>
#include <CGAL/convex_hull_3.h>
#include <CGAL/Delaunay_triangulation_2.h>
#include <CGAL/Delaunay_triangulation_3.h>
#include <CGAL/point_generators_2.h>
#include <CGAL/point_generators_3.h>
#include <CGAL/Polyhedron_3.h>  // 添加Polyhedron_3头文件

using namespace std;

// 定义内核类型（快速浮点数计算）
typedef CGAL::Exact_predicates_inexact_constructions_kernel K;
typedef K::Point_2 Point_2;
typedef K::Point_3 Point_3;
typedef CGAL::Polyhedron_3<K> Polyhedron_3;  // 定义多面体类型

//------- 二维凸包测试 -------
void test_2d_convex_hull() {
    cout << "===== 二维凸包测试 =====" << endl;

    // 生成100个随机二维点（坐标范围[0, 100)）
    CGAL::Random_points_in_square_2<Point_2> gen(50.0);
    vector<Point_2> points;
    const int NUM_POINTS = 20;
    CGAL::cpp11::copy_n(gen, NUM_POINTS, back_inserter(points));

    // 计算凸包
    vector<Point_2> hull;
    CGAL::convex_hull_2(points.begin(), points.end(), back_inserter(hull));

    // 输出结果
    cout << "原始点集(" << points.size() << "):" << endl;
    for (const auto& p : points)
        cout << "(" << p.x() << ", " << p.y() << ") ";

    cout << "\n\n凸包顶点(" << hull.size() << "):" << endl;
    for (const auto& p : hull)
        cout << "(" << p.x() << ", " << p.y() << ") ";
    cout << "\n\n";
}

//------- 三维凸包测试 -------
void test_3d_convex_hull() {
    cout << "===== 三维凸包测试 =====" << endl;

    // 生成20个随机三维点
    CGAL::Random_points_in_sphere_3<Point_3> gen(50.0);
    vector<Point_3> points;
    const int NUM_POINTS = 20;
    copy_n(gen, NUM_POINTS, back_inserter(points));  // 移除非必要的CGAL::cpp11::

    // 计算三维凸包
    Polyhedron_3 hull;
    CGAL::convex_hull_3(points.begin(), points.end(), hull);

    // 输出结果
    cout << "三维凸包面数: " << std::distance(hull.facets_begin(), hull.facets_end()) << endl;

    int faceCount = 0;
    for (auto face = hull.facets_begin(); face != hull.facets_end(); ++face, ++faceCount) {
        cout << "面 " << faceCount << ": ";
        auto he = face->halfedge();
        for (int i = 0; i < 3; ++i) {  // 假设所有面都是三角形
            const auto& p = he->vertex()->point();
            cout << "(" << p.x() << ", " << p.y() << ", " << p.z() << ") ";
            he = he->next();
        }
        cout << endl;
    }
    cout << "\n";
}
//------- 二维Delaunay三角剖分测试 -------
void test_2d_delaunay() {
    cout << "===== 二维Delaunay三角剖分测试 =====" << endl;

    // 生成100个随机二维点
    CGAL::Random_points_in_square_2<Point_2> gen(50.0);
    vector<Point_2> points;
    const int NUM_POINTS = 10;
    copy_n(gen, NUM_POINTS, back_inserter(points));  // 移除非必要的CGAL::cpp11::

    // 构建Delaunay三角网
    CGAL::Delaunay_triangulation_2<K> dt;
    dt.insert(points.begin(), points.end());

    // 输出统计信息
    cout << "顶点数: " << dt.number_of_vertices() << endl;
    cout << "面数: " << dt.number_of_faces() << endl;

    // 遍历所有边（正确方式）
    cout << "\n边列表：" << endl;
    for (auto edge = dt.finite_edges_begin(); edge != dt.finite_edges_end(); ++edge) {
        auto segment = dt.segment(*edge);  // 直接获取边对应的线段
        cout << "(" << segment.source().x() << ", " << segment.source().y() << ") - "
            << "(" << segment.target().x() << ", " << segment.target().y() << ")\n";
    }
    cout << "\n";
}

//------- 三维Delaunay三角剖分测试 -------
void test_3d_delaunay() {
    cout << "===== 三维Delaunay三角剖分测试 =====" << endl;

    // 生成10个随机三维点
    CGAL::Random_points_in_sphere_3<Point_3> gen(50.0);
    vector<Point_3> points;
    const int NUM_POINTS = 10;
    CGAL::cpp11::copy_n(gen, NUM_POINTS, back_inserter(points));

    // 构建三维Delaunay三角网
    CGAL::Delaunay_triangulation_3<K> dt;
    dt.insert(points.begin(), points.end());

    // 输出统计信息
    cout << "顶点数: " << dt.number_of_vertices() << endl;
    cout << "边数: " << dt.number_of_edges() << endl;
    cout << "面数: " << dt.number_of_facets() << endl;
    cout << "四面体数: " << dt.number_of_cells() << endl;

    // 遍历所有四面体
    cout << "\n四面体列表：" << endl;
    for (auto cell = dt.finite_cells_begin(); cell != dt.finite_cells_end(); ++cell) {
        const Point_3& p0 = cell->vertex(0)->point();
        const Point_3& p1 = cell->vertex(1)->point();
        const Point_3& p2 = cell->vertex(2)->point();
        const Point_3& p3 = cell->vertex(3)->point();
        cout << "四面体: \n";
        cout << " (" << p0.x() << ", " << p0.y() << ", " << p0.z() << ")\n"
            << " (" << p1.x() << ", " << p1.y() << ", " << p1.z() << ")\n"
            << " (" << p2.x() << ", " << p2.y() << ", " << p2.z() << ")\n"
            << " (" << p3.x() << ", " << p3.y() << ", " << p3.z() << ")\n";
    }
    cout << "\n";
}

int main() {
    // 运行各测试用例
    test_2d_convex_hull();
    test_3d_convex_hull();
    test_2d_delaunay();
    test_3d_delaunay();

    return 0;
}
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