使用OpenGL怎么实现ES透视投影
使用OpenGL怎么实现ES透视投影?很多新手对此不是很清楚,为了帮助大家解决这个难题,下面小编将为大家详细讲解,有这方面需求的人可以来学习下,希望你能有所收获。
剪裁坐标
当顶点着色器写入一个值到gl_Position时,这个点要求必须在剪裁空间中,即它的x、y、z坐标必须在[-w,w]之间,任何这个范围之外的点都是不可见的。
这里需要注意以下,对于attribute类型的属性量。OpenGL会用默认的值替换属性中未指定的分量,前三个分量会被设定为0,最后一个分量w会被设定为1.
站在gl_position的角度来说,[-w,w]之间的坐标点才是可见的,否则都是不可见会被剪裁掉。往前看,在做投影变换的时候我们说,在视景体内的物体有效,视景体外的会被剪裁,实际上是对应的,剪裁就是发生在图元装配阶段判断所有的坐标是否在[-w,w]之间。
剪裁实际上就是判断每一个最小三角形、直线、点单元的坐标是否规范。
透视除法
对上面的剪裁坐标的点的x、y、z坐标除以它的w分量,除以w的坐标叫做归一化设备坐标。如果w分量大,除以w后的点就接近(0,0,0),在三维空间中,距离我们较远的坐标如果它的w分量较大,进行透视除法后,就距离原点越近,原点作为远处物体的消失点,就有三维场景的效果。
视口变换
前面已经使用过视口变换的函数glViewport了,视口是一个而为矩形窗口区域。是OpenGL渲染操作最终显示的地方。
public static native void glViewport( int x, int y, int w, int h );
从归一化设备坐标(x,y,z)到窗口坐标(X,Y,Z)的转换公式
上面公式中的f和n是如下API设置的
public static native void glDepthRangef( float n, float f );
n,f指定所需的深度范围,n,f的取值限于(0.0,1.0)之间,n,f的默认值为0.0和1.0
glDepthRangef函数和glViewport函数指定的值用于将顶点位置从归一化设备坐标转换为窗口坐标。
利用w分量产生三维效果
在前面的代码中,修改传入的顶点坐标,增加w分量
float[] vertexArray = new float[] { (float) -0.5, (float) -0.5, 0, 1, (float) 0.5, (float) -0.5, 0, 1, (float) -0.5, (float) 0.5, 0, 3, (float) 0.5, (float) 0.5, 0, 3 };
同时修改顶点着色器:
private String vertexShaderCode = "uniform mat4 uMVPMatrix;" + "attribute vec4 aPosition;" + "void main(){" + "gl_Position = uMVPMatrix * aPosition;" + "}";
以及获取uProjectionMatrix以及传入顶点数据对应的代码,就可以看到如下所示效果
透视投影
然而这样让物体产生三维效果的做法太死板了,如果我们还要让物体平移缩放旋转,这样固定的指定w的值就不太好了。
透视投影这个时候就能派上用场了,利用透视投影矩阵自动生成w的值。投影矩阵主要是为w产生正确的值,这样在渲染管线的后续操作中做透视除法,远处的物体就看起来比进出物体小,很容易想到,可以利用顶点位置的z分量,将这个距离映射到w分量上,z越大,w也越大。
有两个函数可以生成透视投影矩阵frustumM和perspectiveM。参数具体含义可以参考下面的图
public static void perspectiveM(float[] m, // 生成的投影矩阵 int offset, float fovy, // 视角角度 float aspect, // *面的宽高比 float zNear, // *面 float zFar) // 远平面
frustumM函数原型
public static void frustumM(float[] m, int offset, float left, float right, float bottom, float top, // *面左右下上部与中心点的距离 float near, float far //*面和元平面与摄像机观察点的距离 )
透视投影背后的数学原理
创建下面的矩阵
a表示视角焦距,焦距等于1/tan(视野/2)
取aspect=1.8,视野45度即a = 1,f = 10,n = 5,得到的透视投影矩阵为
计算下面几个点
上面这三个点越来越远,通过透视投影后,z和w都变大了,可以想到,在后面的透视除法时,x和y分量都会变小,于是就会出现距离越远,汇聚到一个点,也就是三维效果。
同时也可以看到,上面的几个点他们的z坐标都是负值,这也从侧面表达了,事实上所有的有效的点z坐标必须是负值,也就是从摄像机的坐标来看是在z轴负方向,也就是必须在视景体里面,这一点通过摄像机矩阵来保证。
前面使用正交投影,它的矩阵不会使得w粉量增加,于是通过透视除法也不会使w分量增加,所以正交投影不会出现近大远小的效果,透视投影会出现近大远小的效果
透视投影例子
在上面矩形Demo的基础上修改上面的正方形的顶点数据
float vertices[] = new float[] { (float) -0.5, (float) -0.5 + + (float)(-0.1*i), (float) (1*i), (float) 0.5, (float) -0.5 + + (float)(-0.1*i), (float) (1*i), (float) -0.5, (float) 0.5 + + (float)(-0.1*i), (float) (1*i), (float) 0.5, (float) 0.5 + + (float)(-0.1*i), (float) (1*i) };
在绘图时,定义一个数组,传递不同的i值,比如绘制四个正方形,这四个正方形的距离越来越远。
mRectangles = new Rectangle[5]; for (int i = 0; i < mRectangles.length; i++) { mRectangles[i] = new Rectangle(i); }
在onSurfaceChanged函数里面设置摄像机位置和透视投影矩阵
Matrix.perspectiveM(mProjectionMatrix, 0, 45, (float)width/height, 2, 15); Matrix.setLookAtM(mViewMatrix, 0, 0, 0, 12, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
然后在onDrawFram函数里面绘制这5个矩形
for (Rectangle rectangle : mRectangles) { Matrix.setIdentityM(mModuleMatrix, 0); Matrix.rotateM(mModuleMatrix, 0, xAngle, 1, 0, 0); Matrix.rotateM(mModuleMatrix, 0, yAngle, 0, 1, 0); Matrix.multiplyMM(mViewProjectionMatrix, 0, mProjectionMatrix, 0, mViewMatrix, 0); Matrix.multiplyMM(mMVPMatrix, 0, mViewProjectionMatrix, 0, mModuleMatrix, 0); rectangle.draw(mMVPMatrix); }
为了呈现出3d效果,增加触摸旋转事件,这样滑动屏幕就可以看到三维物体的全貌
public boolean onTouchEvent(MotionEvent e) { float y = e.getY(); float x = e.getX(); switch (e.getAction()) { case MotionEvent.ACTION_MOVE: float dy = y - mPreviousY; float dx = x - mPreviousX; mMyRender.yAngle += dx; mMyRender.xAngle+= dy; requestRender(); } mPreviousY = y; mPreviousX = x; return true; }
然后就可以看到三维效果。
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