手把手带你入门opengl(4)——旋转?跳跃?我闭着眼

·  阅读 180

先来看看最终我们要实现的效果

GIF.gif 在上文的基础之上,我们来学习下opengl中的变换,其实主要涉及到2个概念,向量和矩阵,有过一定数学基础的朋友大概都听说过。

向量

向量最基本的定义就是一个方向。或者说,向量有一个方向(Direction)和大小

由于向量是一个方向,所以有些时候会很难形象地将它们用位置(Position)表示出来。为了让其更为直观,我们通常设定这个方向的原点为(0, 0, 0),然后指向一个方向,对应一个点,使其变为位置向量(Position Vector)(你也可以把起点设置为其他的点,然后说:这个向量从这个点起始指向另一个点)。比如说位置向量(3, 5)在图像中的起点会是(0, 0),并会指向(3, 5)。我们可以使用向量在2D或3D空间中表示方向位置.

而向量的加减乘除也是符合四则基本运算,比如,其他也是类似

1638445593863.png 长度则使用勾股定理即可,比较简易清晰

1638445653095.png

向量相乘

点乘

两个向量的点乘等于它们的数乘结果乘以两个向量之间夹角的余弦值。可能听起来有点费解,我们来看一下公式:

1638445741883.png

是不是有一种熟悉感,就是高中的数学知识。

要计算两个单位向量间的夹角,我们可以使用反余弦函数cos−1 ,可以很快就计算出了这两个向量的夹角。点乘会在计算光照的时候非常有用。

叉乘

叉乘只在3D空间中有定义,它需要两个不平行向量作为输入,生成一个正交于两个输入向量的第三个向量。如果输入的两个向量也是正交的,那么叉乘之后将会产生3个互相正交的向量。接下来的教程中这会非常有用。下面的图片展示了3D空间中叉乘的样子:

1638445905357.png

可能这个更难以理解一点,比较反直觉,想研究的可以看下线性代数,不想的也没关系,先记住就好了。

矩阵

现在我们已经讨论了向量的全部内容,是时候看看矩阵了!简单来说矩阵就是一个矩形的数字、符号或表达式数组。矩阵中每一项叫做矩阵的元素(Element)。下面是一个2×3矩阵的例子:

1638446032379.png

矩阵的加减就不介绍了,需要注意的一点是,同纬度的矩阵加减才有意义,因为加减是对应的每个数字的加减,如果维度不匹配,自然就没有了意义

矩阵相乘

矩阵相乘就相对复杂一点,但是也是要满足一些基本的条件的

  • 只有左侧矩阵的列数等于右侧矩阵的行数,才有意义
  • 矩阵相乘不遵守交换律,也就是说A⋅B≠B⋅A,所以需要注意先后的顺序

具体例子如下

1638446302870.png

从这个算术就可以看出来,为什么要满足上面的第一点了,不然没法计算

单位矩阵

在OpenGL中,由于某些原因我们通常使用4×4的变换矩阵,而其中最重要的原因就是大部分的向量都是4分量的。我们能想到的最简单的变换矩阵就是单位矩阵(Identity Matrix)。单位矩阵是一个除了对角线以外都是0的N×N矩阵。在下式中可以看到,这种变换矩阵使一个向量完全不变:

1638446430224.png

你可能会奇怪一个没变换的变换矩阵有什么用?单位矩阵通常是生成其他变换矩阵的起点,如果我们深挖线性代数,这还是一个对证明定理、解线性方程非常有用的矩阵。

缩放

构造一个变换矩阵来为我们提供缩放功能。我们从单位矩阵了解到,每个对角线元素会分别与向量的对应元素相乘。如果我们把1变为3会怎样?这样子的话,我们就把向量的每个元素乘以3了,这事实上就把向量缩放3倍。如果我们把缩放变量表示为(S1,S2,S3)(S1,S2,S3)我们可以为任意向量(x,y,z)(x,y,z)定义一个缩放矩阵:

1638446639495.png

位移

和缩放矩阵一样,在4×4矩阵上有几个特别的位置用来执行特定的操作,对于位移来说它们是第四列最上面的3个值。如果我们把位移向量表示为(Tx,Ty,Tz)(Tx,Ty,Tz),我们就能把位移矩阵定义为:

1638446683089.png

这样可以的点在于,w永远是1,因为所有的位移值都要乘以向量的w行,所以位移值会加到向量的原始值上(想想矩阵乘法法则)。

旋转

旋转就相对复杂很多,觉得难以理解的朋友可以先跳过,后面慢慢再加深理解。

2D中旋转,我们很好理解,就是一个角度,也就是和旋转之前形成的一个夹角,也就是旋转的角度,但是在3D中,单纯的一个角度就不够了,因为很有可能都不在一个平面之中。

需要定义一个角一个旋转轴(Rotation Axis)。物体会沿着给定的旋转轴旋转特定角度

1638447283502.png

有兴趣的可以深入了解下,在这里就不展开了。

实践

要实现我们开头的效果,显然旋转、平移、缩放都使用了,难道还需要我们自己做这么复杂的运算吗,我们引入GLM

GLM是OpenGL Mathematics的缩写,它是一个只有头文件的库,也就是说我们只需包含对应的头文件就行了,不用链接和编译。GLM可以在它们的网站上下载。把头文件的根目录复制到你的includes文件夹,然后你就可以使用这个库了。

#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
复制代码

比如,我们要将一个向量(1, 0, 0)位移(1, 1, 0)个单位,那么实现如下

//定义初始向量
glm::vec4 vec(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
//构造一个4维的单位矩阵
glm::mat4 trans = glm::mat4(1.0f)
//使用translate方法进行位移
trans = glm::translate(trans, glm::vec3(1.0f, 1.0f, 0.0f));
//最终和初始向量相乘,得到最后的结果。
vec = trans * vec;
std::cout << vec.x << vec.y << vec.z << std::endl;
复制代码

接下来就进行实现我们最终的效果,我们分几步来

  • 更新顶点着色器,很明显,我们顶点坐标相交于原本居中位置,需要变化
  • 右下角的实现(位移+旋转)
  • 左上角的实现(位移+缩放)

首先,在上一节的基础上,我们更新下顶点着色器

const char* vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"layout (location = 1) in vec2 aTexCoord;\n"
"uniform mat4 transform ;\n"
"out vec2 TexCoord;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   gl_Position = transform*vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"   TexCoord = aTexCoord;\n"
"}\0";
复制代码

新增了一个mat4 transform矩阵变量,决定着最终我们的顶点坐标位置,也就是说,这个就是我们需要最终变化的矩阵。

右下角,旋转+位移

//生成单位矩阵
glm::mat4 transform = glm::mat4(1.0f); // make sure to initialize matrix to identity
//x,y进行偏移,向右下角进行平移
transform = glm::translate(transform, glm::vec3(0.5f, -0.5f, 0.0f));
//旋转,这里我们使用当前时间作为参数,不断的进行旋转,选定Z轴为旋转轴
transform = glm::rotate(transform, (float)glfwGetTime(), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));
//赋值到着色器transform的变量中
unsigned int transformLoc = glGetUniformLocation(shaderProgram, "transform");
glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(transform));
复制代码

左上角,缩放+位移,方法类似,就不一一解释了

transform = glm::mat4(1.0f); // reset it to identity matrix
transform = glm::translate(transform, glm::vec3(-0.5f, 0.5f, 0.0f));
float scaleAmount = sin(glfwGetTime());
transform = glm::scale(transform, glm::vec3(scaleAmount, scaleAmount, scaleAmount));
glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, &transform[0][0]); // this time take the matrix value array's first 
复制代码

记得画了2个图形,所以需要调用2次

glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
复制代码

完整代码

​
​
#include "TranslateSample.h";
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <filesystem>
#include <iostream>
​
​
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#define STB_IMAGE_IMPLEMENTATION
​
#include "stb_image.h"
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;
​
const char* vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"layout (location = 1) in vec2 aTexCoord;\n"
​
"uniform mat4 transform ;\n"
​
"out vec2 TexCoord;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   gl_Position = transform*vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"   TexCoord = aTexCoord;\n"
"}\0";
const char* fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"in vec2 TexCoord;;\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"uniform sampler2D texture1;\n"
"uniform sampler2D texture2;\n"
"void main()\n"
"{\n"
"   FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.4);\n"
"}\0";
​
TranslateSample::TranslateSample()
{
}
​
TranslateSample::~TranslateSample()
{
}
​
​
void TranslateSample::init() {
    // glfw: initialize and configure
   // ------------------------------
    glfwInit();
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
​
#ifdef __APPLE__
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);
#endif
    GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
    if (window == NULL)
    {
        std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
        glfwTerminate();
        return;
    }
    glfwMakeContextCurrent(window);
​
    // glad: load all OpenGL function pointers
    // ---------------------------------------
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
    {
        std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
        return;
    }
    unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);
    // check for shader compile errors
    int success;
    char infoLog[512];
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // fragment shader
    unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);
    // check for shader compile errors
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success)
    {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    // link shaders
    unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    glLinkProgram(shaderProgram);
    // check for linking errors
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
    }
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);
​
    float vertices[] = {
        //     ---- 位置 ----      - 纹理坐标 -
             0.5f,  0.5f, 0.0f,    1.0f, 1.0f,   // 右上
             0.5f, -0.5f, 0.0f,    1.0f, 0.0f,   // 右下
            -0.5f, -0.5f, 0.0f,    0.0f, 0.0f,   // 左下
            -0.5f,  0.5f, 0.0f,    0.0f, 1.0f    // 左上
    };
    unsigned int indices[] = {
          0, 1, 3, // 第一个三角形
          1, 2, 3  // 第二个三角形
    };
​
    unsigned int VBO, VAO;
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    // bind the Vertex Array Object first, then bind and set vertex buffer(s), and then configure vertex attributes(s).
    glBindVertexArray(VAO);
​
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
​
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
    glEnableVertexAttribArray(1);
​
​
    unsigned int EBO;
    glGenBuffers(1, &EBO);
​
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
​
​
    unsigned int texture1;
    glGenTextures(1, &texture1);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
​
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);   // set texture wrapping to GL_REPEAT (default wrapping method)
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    // set texture filtering parameters
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
    int width, height, channel;
    unsigned char* data = stbi_load("resource/2.jpg", &width, &height, &channel, 0);
    if (data)
    {
        std::cout << "success\n" << width << height << std::endl;
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
        glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    }
    else
    {
        std::cout << "stbi_load_FAILED\n" << std::endl;
    }
​
    unsigned int texture2;
    glGenTextures(1, &texture2);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);
​
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);   // set texture wrapping to GL_REPEAT (default wrapping method)
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
    // set texture filtering parameters
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
​
    int width2, height2, channel2;
    unsigned char* data1 = stbi_load("resource/1.png", &width2, &height2, &channel2, 0);
    if (data1)
    {
        std::cout << "success\n" << width2 << height2 << std::endl;
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, width2, height2, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, data1);
        glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
    }
    else
    {
        std::cout << "stbi_load_FAILED\n" << std::endl;
    }
    stbi_image_free(data);
    stbi_image_free(data1);
​
​
    glUseProgram(shaderProgram);
    glUniform1i(glGetUniformLocation(shaderProgram, "texture1"), 0);
    glUniform1i(glGetUniformLocation(shaderProgram, "texture2"), 1);
​
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
​
    glBindVertexArray(0);
​
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {
​
        glViewport(0, 0, SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT);
​
        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture1);
​
        glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture2);
​
​
        glUseProgram(shaderProgram);
        glm::mat4 transform = glm::mat4(1.0f); 
        
        //右下角图形
        transform = glm::translate(transform, glm::vec3(0.5f, -0.5f, 0.0f));
        transform = glm::rotate(transform, (float)glfwGetTime(), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));
        unsigned int transformLoc = glGetUniformLocation(shaderProgram, "transform");
        glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(transform));
​
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
​
        // 左上角
        transform = glm::mat4(1.0f); // reset it to identity matrix
        transform = glm::translate(transform, glm::vec3(-0.5f, 0.5f, 0.0f));
        float scaleAmount = sin(glfwGetTime());
        transform = glm::scale(transform, glm::vec3(scaleAmount, scaleAmount, scaleAmount));
        glUniformMatrix4fv(transformLoc, 1, GL_FALSE, &transform[0][0]); // this time
        glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
        glfwSwapBuffers(window);
        glfwPollEvents();
​
    }------------------------------------------------------------------------
    glDeleteVertexArrays(1, &VAO);
    glDeleteBuffers(1, &VBO);
    glDeleteProgram(shaderProgram);
    glfwTerminate();
    return;
​
}
​
​
复制代码
分类:
前端
标签: