OpenGL編程/現代OpenGL教程 04
在本教程中,我們會涉足變換矩陣(transformation matrices)的世界,以便讓我們可以平移、旋轉以及縮放我們的三角形。
設置矩陣事宜
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一些在使用矩陣時要在意的地方(tidbits):
- 變換是通過對4x4的矩陣進行逆序相乘達成的。
M = M_translation * M_rotation
意味著首先旋轉,然後平移。 - 單位矩陣(identity matrix)是指那種什麼都不做的矩陣——沒有任何變換。
- 爲了變換一個頂點(vertex),我們使用矩陣對它進行相乘:
v' = M * v
- 4x4矩陣僅能被用在4x1向量上——該向量是由我們將1增加在第4維上後所獲得的:(x, y, z, 1)。
爲了完成這些乘法運算,我們需要一個數學函數庫。著色器帶有對矩陣運算內置、簡易的支持,但是通常情況下我們需要從C代碼中操縱矩陣。這樣做也更加高效,因爲著色器是爲每個頂點執行的,所以說預先計算矩陣是更佳的做法。
該教程將使用OpenGL Mathematics (GLM) 庫,它由C++寫成。GLM有意識地使用和GLSL一樣的約定,於是會更容易起步。它的文檔也描述了對已聲明不贊成使用的OpenGL 1.x和GLU函數——例如glRotate
、glFrustum
或gluLookAt
——的替代選擇,這將會對那些已經在使用它們的人有很大幫助。
替代項也存在,例如libSIMDx86(順便一提,它也可以工作在非x86處理器上)。你也可以自己寫矩陣代碼,畢竟它也不是很長——可以參考Mesa 3D示例mesa-demos-8.0.1/src/egl/opengles2/tri.c
中的代碼。
GLM是一個純頭文件的庫,所以你不需要修改Makefile,而只需要確保頭文件被安裝在一個標準路徑中。 來安裝GLM:
apt-get install libglm-dev # Debian, Ubuntu
dnf install glm-devel # Fedora
我們現在可以增加GLM頭文件了:
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
使用3D的點
[編輯]我們的變換矩陣是爲3D頂點而設計的。即使我們現在處於2D,也可以利用Z=0來將三角形描述成3D點集。總之,我們會在下個教程中轉移到3D物體上去 :)
在triangle.cpp中給OpenGL定義它(每個頂點3個元素):
struct attributes {
GLfloat coord3d[3];
GLfloat v_color[3];
};
然後,在init_resources()中
struct attributes triangle_attributes[] = {
{{ 0.0, 0.8, 0.0}, {1.0, 1.0, 0.0}},
{{-0.8, -0.8, 0.0}, {0.0, 0.0, 1.0}},
{{ 0.8, -0.8, 0.0}, {1.0, 0.0, 0.0}}
};
...
attribute_name = "coord3d";
attribute_coord3d = glGetAttribLocation(program, attribute_name);
if (attribute_coord3d == -1) {
cerr << "Could not bind attribute " << attribute_name << endl;
return false;
}
修改render()中對頂點數組的初始化:
glVertexAttribPointer(
attribute_coord3d, // attribute
3, // number of elements per vertex, here (x,y,z)
GL_FLOAT, // the type of each element
GL_FALSE, // take our values as-is
sizeof(struct attributes), // next coord3d appears every 6 floats
0 // offset of first element
);
相應地,替換掉'attribute_coord2d'的其他出現之處,並且告訴著色器使用新的坐標:
attribute vec3 coord3d;
[...]
void main(void) {
gl_Position = vec4(coord3d, 1.0);
創建變換矩陣
[編輯]GLM帶有內置的函數以計算旋轉、平移和縮放矩陣。
一起在logic()
中增加變換矩陣,並且計算一個漸進的旋轉及所搭的(combined)平移:
void logic() {
float move = sinf(SDL_GetTicks() / 1000.0 * (2*3.14) / 5); // -1<->+1 every 5 seconds
float angle = SDL_GetTicks() / 1000.0 * 45; // 45° per second
glm::vec3 axis_z(0, 0, 1);
glm::mat4 m_transform = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(move, 0.0, 0.0))
* glm::rotate(glm::mat4(1.0f), glm::radians(angle), axis_z);
[...]
glm4(1.0f)是單位矩陣,意味著我們在草稿狀態已經開始進行變換。
傳遞變換矩陣
[編輯]就像我們在前一個教程所看到的那樣,我們會增加一個新的律態——藉由glUniformMatrix4fv
:
/* Global */
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
GLint uniform_m_transform;
/* init_resources() */
uniform_name = "m_transform";
uniform_m_transform = glGetUniformLocation(program, uniform_name);
if (uniform_m_transform == -1) {
cerr << "Could not bind uniform_fade " << uniform_name << endl;
return false;
}
/* logic() */
glUniformMatrix4fv(uniform_m_transform, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(m_transform));
如果你不是在使用GLM,傳遞指向一個GLfloat[16]數組的指針應當足夠。就像這樣:
GLfloat matrix[16] = {...};
glUniformMatrix4fv(uniform_m_transform, 1, GL_FALSE, matrix);
頂點著色器僅僅需要拿我們上面所見的那個矩陣去乘頂點:
uniform mat4 m_transform;
void main(void) {
gl_Position = m_transform * vec4(coord3d, 1.0);
[...]
注意到我們仍然有外觀比例的問題(就像在一個16:9的顯示器上全屏觀看電視節目一樣)。 我們會在下個教程中使用Model-View-Projection矩陣解決它。
進行試驗!
[編輯]還記得我們提到過要逆序運用矩陣麼?在我們的例子中,首先是旋轉,然後是平移。
可以試試用另一種方式去做:你會使該三角形在移動後再旋轉,這意味著它會繞著原點旋轉而不是繞著它自己的中心。