时间戳

首页 > 技术文章 > OpenGL中的坐标系统详细概括:包括Z缓冲

OpenGL中的坐标系统详细概括:包括Z缓冲

GarrettWale 2019-08-11 17:23 原文

一： 关于几个坐标系统的概括

  1. 局部坐标是对象相对于局部原点的坐标，也是物体起始的坐标。
  2. 下一步是将局部坐标变换为世界空间坐标，世界空间坐标是处于一个更大的空间范围的。这些坐标相对于世界的全局原点，它们会和其它物体一起相对于世界的原点进行摆放。
  3. 接下来我们将世界坐标变换为观察空间坐标，使得每个坐标都是从摄像机或者说观察者的角度进行观察的。
  4. 坐标到达观察空间之后，我们需要将其投影到裁剪坐标。裁剪坐标会被处理至-1.0到1.0的范围内，并判断哪些顶点将会出现在屏幕上。
  5. 最后，我们将裁剪坐标变换为屏幕坐标，我们将使用一个叫做视口变换(Viewport Transform)的过程。
  6. 视口变换将位于-1.0到1.0范围的坐标变换到由glViewport函数所定义的坐标范围内。（坐标原点在左下角）
  7. 最后变换出来的坐标将会送到光栅器，将其转化为片段。随后送入片段着色器。

二： 推荐一个很好理解的教程

opengl-tutorials

三：五个空间

  1. 局部空间：局部空间是指物体所在的坐标空间，即对象最开始所在的地方。有可能你创建的所有模型都以(0, 0, 0)为初始位置（译注：然而它们会最终出现在世界的不同位置）。所以，你的模型的所有顶点都是在局部空间中：它们相对于你的物体来说都是局部的。
  2. 世界空间：如果我们将我们所有的物体导入到程序当中，它们有可能会全挤在世界的原点(0, 0, 0)上，这并不是我们想要的结果。我们想为每一个物体定义一个位置，从而能在更大的世界当中放置它们。
  3. 观察空间：观察空间经常被人们称之OpenGL的摄像机(Camera)（所以有时也称为摄像机空间(Camera Space)或视觉空间(Eye Space)）。观察空间是将世界空间坐标转化为用户视野前方的坐标而产生的结果。因此观察空间就是从摄像机的视角所观察到的空间。而这通常是由一系列的位移和旋转的组合来完成，*移/旋转场景从而使得特定的对象被变换到摄像机的前方。
  4. 裁剪空间：在一个顶点着色器运行的最后，OpenGL期望所有的坐标都能落在一个特定的范围内，且任何在这个范围之外的点都应该被裁剪掉(Clipped)。被裁剪掉的坐标就会被忽略，所以剩下的坐标就将变为屏幕上可见的片段。

四：三个矩阵

  1. 模型矩阵：是一种变换矩阵，它能通过对物体进行位移、缩放、旋转来将它置于它本应该在的位置或朝向。我们将物体局部坐标变换到场景/世界中的不同位置。

  2. 观察矩阵：它被用来将世界坐标变换到观察空间。
    2.1 将摄像机向后移动，和将整个场景向前移动是一样的。
    2.2 我们以相反于摄像机移动的方向移动整个场景。因为我们想要往后移动，并且OpenGL是一个右手坐标系(Right-handed System)，所以我们需要沿着z轴的正方向移动。我们会通过将场景沿着z轴负方向*移来实现。它会给我们一种我们在往后移动的感觉。

  3. 投影矩阵：它指定了一个范围的坐标，比如在每个维度上的-1000到1000。投影矩阵接着会将在这个指定的范围内的坐标变换为标准化设备坐标的范围(-1.0, 1.0)。所有在范围外的坐标不会被映射到在-1.0到1.0的范围之间，所以会被裁剪掉。
    3.1 投影：由投影矩阵创建的观察箱(Viewing Box)被称为*截头体(Frustum)，每个出现在*截头体范围内的坐标都会最终出现在用户的屏幕上。将特定范围内的坐标转化到标准化设备坐标系的过程（而且它很容易被映射到2D观察空间坐标）。
    3.2 透视除法：一旦所有顶点被变换到裁剪空间，最终的操作——透视除法(Perspective Division)将会执行，在这个过程中我们将位置向量的x，y，z分量分别除以向量的齐次w分量；透视除法是将4D裁剪空间坐标变换为3D标准化设备坐标的过程。这一步会在每一个顶点着色器运行的最后被自动执行。
    3.3 正射投影矩阵(Orthographic Projection Matrix)：正射*截头体直接将*截头体内部的所有坐标映射为标准化设备坐标，因为每个向量的w分量都没有进行改变；如果w分量等于1.0，透视除法则不会改变这个坐标。创建一个正射投影矩阵，我们可以使用GLM的内置函数。
    3.4 透视投影矩阵(Perspective Projection Matrix):顶点坐标的每个分量都会除以它的w分量，距离观察者越远顶点坐标就会越小。这是也是w分量非常重要的另一个原因，它能够帮助我们进行透视投影。最后的结果坐标就是处于标准化设备空间中的。在GLM中可以这样创建一个透视投影矩阵。

    glm::mat4 proj = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)width/(float)height, 0.1f, 100.0f);//第三和第四个参数设置了*截头体的*和远*面。我们通常设置*距离为0.1f，而远距离设为100.0f。所有在**面和远*面内且处于*截头体内的顶点都会被渲染。

五：Z缓冲

解决一些理应被遮挡的面，因为绘制次序靠后，竟然变成可见的问题

  1. 也被称为深度缓冲(Depth Buffer)。GLFW会自动为你生成这样一个缓冲（就像它也有一个颜色缓冲来存储输出图像的颜色）。
  2. 深度测试：深度值存储在每个片段里面（作为片段的z值），当片段想要输出它的颜色时，OpenGL会将它的深度值和z缓冲进行比较，如果当前的片段在其它片段之后，它将会被丢弃，否则将会覆盖。这个过程称为深度测试(Depth Testing)，它是由OpenGL自动完成的。
  3. 如果我们想要确定OpenGL真的执行了深度测试，首先我们要告诉OpenGL我们想要启用深度测试；它默认是关闭的。我们可以通过glEnable函数来开启深度测试。
  4. 因为我们使用了深度测试，我们也想要在每次渲染迭代之前清除深度缓冲（否则前一帧的深度信息仍然保存在缓冲中）。就像清除颜色缓冲一样，我们可以通过在glClear函数中指定DEPTH_BUFFER_BIT位来清除深度缓冲：

推荐阅读