OpenGL入门最后一章观察矩阵（照相机）

        前面的一篇文章笔者向大家介绍了模型变化矩阵，投影矩阵。现在只剩下最后一个观察矩阵没有和大家讲了。此片文章就为大家介绍OpenGL入门篇的最后一个内容。

观察矩阵

        前面的篇章当中，我们看到了即使没有观察矩阵，我们也能对绘制出来的模型有一个很好的控制，那么观察矩阵存在的意义又是什么了？那么我们现在来想象一下这样一件事，我们的屏幕上绘制了特别多的方块，现在我们要把它们全部向屏幕的右边移动一定的距离，如果是前面的做法的话所有的模型都要再乘上一个向右平移的矩阵，这样做完全没有问题，只是这会让程序的效率变得很差，而且你的GPU除了计算一下像素颜色之外基本上就没有做其他任何事，把绝大部分的任务都交给了CPU，这样的任务分配是不合理的，所以我们需要上传一个观察矩阵ViewMatrix给GPU，让他把所有的顶点按照某一个方向进行平移，这样我们的任务就合理分配了。（什么样的任务应该交给CPU，什么样的任务又交给GPU这里也有不少东西需要研究）

        看过资料的朋友们都知道，在OpenGL当中想用创建一个观察矩阵只需要使用glm::lookAt函数即可

glm::lookAt(m_Position, m_Forward, m_Up);
//glm::vec3 m_Position 照相机的位置
//glm::vec3 m_Forward 观察的位置
//glm::vec3 m_Up 相机屏幕的上方的方向

这样我们就得到了一个观察矩阵了，看起来也没什么好说的对不对。但是困难的往往是处理与之相关的数学问题，前面说我们要让屏幕上的所有的方块全部向右移动一段距离，那么我们应该怎么设置这个观察矩阵了？直接给答案

glm::vec3 m_Position(-0.3f,0.0f,3.0f)
glm::vec3 m_Forward(-0.3f,0.0f,0.0f);
glm::vec3 m_Up(0.0f,1.0f,0.0f);glm::lookAt(m_Position, m_Forward, m_Up);

可能有的朋友们就要问了，相机为什么要往左边移动，并且看向左边了？要回答这个问题也很简单，大家现在把手机拿出来打开照相机，然后手机屏幕与电脑屏幕保持水平，现在把手机水平向左开始移动，你就会发现手机屏幕中的物体朝着反方向进行移动了，如果再把手机对准刚才位置，你就会发现所有的物体都行了旋转拉绳，这当然不是我们想要的结果，所以我们要让手机继续朝向正前方。观察矩阵和我们的照相机的工作原理一摸一样，所以观察矩阵也可以叫作相机矩阵。

制作一个可以观察物体的矩阵

        观察矩阵其实介绍到这里也就算是结束了，我们现在来做一个可以实际使用的相机。比如说我现在制作了一个立方体，每一个面的颜色都不一样，它刚被绘制出来的时候我只能看见一两个面，但是我想观察其他的面，如果说我去修改模型让它自己转过来，这也有点太蠢了！所以我们要做一个进行鼠标控制的照相机。

        我的打算是，让照相机沿着一个球面进行运动，鼠标坐标的变化来确定照相机在球体坐标上的夹角。

鼠标x方向上的偏移量决定角的大小，鼠标y方向上的偏移量决定角的大小，有了理论的基础过后我们看一下具体如何实现。

照相机类：

Camera.h

#pragma once
#include<glm/glm.hpp>class Camera {
public:Camera(glm::vec3 position = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3 up = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f), float yam = 0.0f, float pitch =90.0f);Camera(float posX, float posY, float posZ, float upX, float upY, float upZ, float yaw, float pitch);glm::mat4 GetViewMatrix();void ProcessMouseMovement(float xoffset, float yoffset, bool constrainPitch = true);void ProcessMouseScroll(float yoffset);inline float GetCameraZoom() const { return m_Zoom; }
private:void UpdateCameraVectors();private:glm::vec3 m_Position, m_Front, m_Up, m_Right, m_WorldUp;float m_Yaw, m_Pitch;float m_MouseSensitivity;float m_Zoom;
};

Camera.cpp

#include<glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include<iostream>#include"Camera.h"Camera::Camera(glm::vec3 position ,glm::vec3 up,float yam,float pitch):m_Front(glm::vec3(0.0f,0.0f,-1.0f)),m_MouseSensitivity(0.1f),m_Zoom(45.0f) {m_Position = position;m_WorldUp = up;m_Yaw = yam;m_Pitch = pitch;UpdateCameraVectors();
}Camera::Camera(float posX, float posY, float posZ, float upX, float upY, float upZ, float yaw, float pitch):m_Front(glm::vec3(0.0f,0.0f,-1.0f)),m_MouseSensitivity(0.1f),m_Zoom(45.0f) {m_Position = glm::vec3(posX, posY, posZ);m_WorldUp = glm::vec3(upX, upY, upZ);m_Yaw = yaw;m_Pitch = pitch;UpdateCameraVectors();
}glm::mat4 Camera::GetViewMatrix() {return glm::lookAt(m_Position, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), m_Up);
}void Camera::ProcessMouseMovement(float xoffset, float yoffset, bool constrainPitch){xoffset *= m_MouseSensitivity;yoffset *= m_MouseSensitivity;m_Yaw += xoffset;m_Pitch += yoffset;if (constrainPitch) {m_Pitch = m_Pitch > 179.0f ? 179.0f : m_Pitch;m_Pitch = m_Pitch < 0.1f ? 0.1f : m_Pitch;}UpdateCameraVectors();
}void Camera::ProcessMouseScroll(float yoffset) {m_Zoom -= yoffset;m_Zoom = m_Zoom < 1.0f ? 1.0f : m_Zoom;m_Zoom = m_Zoom > 45.0f ? 45.0f : m_Zoom;
}void Camera::UpdateCameraVectors() {glm::vec3 position(0.0f,0.0f,0.0f);position.x = 5.0f * sinf(glm::radians(m_Yaw)) * sinf(glm::radians(m_Pitch));position.y = 5.0f * cosf(glm::radians(m_Pitch));position.z = 5.0f * cosf(glm::radians(m_Yaw)) * sinf(glm::radians(m_Pitch));m_Front = glm::normalize(-position);m_Position = position;m_Right = glm::normalize(glm::cross(m_Front, m_WorldUp));m_Up = glm::normalize(glm::cross(m_Right, m_Front));
}

除此以外，我们还需要处理鼠标输入函数

void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xposIn, double yposIn) {static float lastX = 320.0f, lastY = 240.0f;static bool firstMouse = true;float xpos = static_cast<float>(xposIn);float ypos = static_cast<float>(yposIn);if (firstMouse) {lastX = xpos;lastY = ypos;firstMouse = false;}float xoffset = xpos - lastX;float yoffset = lastY - ypos;lastX = xpos, lastY = ypos;camera.ProcessMouseMovement(xoffset, yoffset);
}void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffsetIn, double yoffsetIn) {camera.ProcessMouseScroll(static_cast<float>(yoffsetIn));
}void key_callback(GLFWwindow* window, int key, int scancode, int action, int mods) {if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)run = false;
}

好的主函数，贴在下面，我们就得到了一个可以绕着物体圆转的照相了，因为窗口隐藏了光标，想要推出的画按Esc键即可。

#include<glad/glad.h>
#include<GLFW/glfw3.h>#include<iostream>
#include<glm/gtc/matrix_transform.hpp>#include"Shader.h"
#include"Camera.h"static Camera camera(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 5.0f));
static bool run = true;
void key_callback(GLFWwindow* window, int key, int scancode, int action, int mods);
void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xposIn, double yposIn);
void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffset, double yoffset);int main() {glfwInit();GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(640, 480, "Triangles", NULL, NULL);glfwMakeContextCurrent(window);glfwSetCursorPosCallback(window, mouse_callback);glfwSetScrollCallback(window, scroll_callback);glfwSetKeyCallback(window, key_callback);glfwSetInputMode(window, GLFW_CURSOR, GLFW_CURSOR_DISABLED);//需要初始化GLADif (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) {std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;return -1;}float vertexes[] = {//front surface-0.5f,	-0.5f,	0.5f,	1.0f,	1.0f,0.588f,0.2784f,	//00.5f,	-0.5f,	0.5f,	1.0f,	1.0f,0.588f,0.2784f,	//10.5f,	0.5f,	0.5f,	1.0f,	1.0f,0.588f,0.2784f,	//2-0.5f,	0.5f,	0.5f,	1.0f,	1.0f,0.588f,0.2784f,	//3//back surface-0.5f,	-0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.933f,0.9098f,0.6666f,	//40.5f,	-0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.933f,0.9098f,0.6666f,	//50.5f,	0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.933f,0.9098f,0.6666f,	//6-0.5f,	0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.933f,0.9098f,0.6666f,	//7//up surface-0.5f,	0.5f,	0.5f,	1.0f,	0.0f,0.749f,1.0f,		//80.5f,	0.5f,	0.5f,	1.0f,	0.0f,0.749f,1.0f,		//90.5f,	0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.0f,0.749f,1.0f,		//10-0.5f,	0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.0f,0.749f,1.0f,		//11//down surface-0.5f,	-0.5f,	0.5f,	1.0f,	0.498f,1.0f,0.0f,		//120.5f,	-0.5f,	0.5f,	1.0f,	0.498f,1.0f,0.0f,		//130.5f,	-0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.498f,1.0f,0.0f,		//14-0.5f,	-0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.498f,1.0f,0.0f,		//15//left surface-0.5f,	-0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.5f,0.5f,0.145f,	//16-0.5f,	-0.5f,	0.5f,	1.0f,	0.5f,0.5f,0.145f,	//17-0.5f,	0.5f,	0.5f,	1.0f,	0.5f,0.5f,0.145f,	//18-0.5f,	0.5f,	-0.5f,	1.0f,	0.5f,0.5f,0.145f,	//19//right surface0.5f,	-0.5f,	-0.5f,	1.0f,	1.0f,0.8941f,0.7686f,	//200.5f,	-0.5f,	0.5f,	1.0f,	1.0f,0.8941f,0.7686f,	//210.5f,	0.5f,	0.5f,	1.0f,	1.0f,0.8941f,0.7686f,	//220.5f,	0.5f,	-0.5f,	1.0f,	1.0f,0.8941f,0.7686f	//24};					unsigned int indexes[] = {//front surface0,1,2,2,3,0,//back surface4,5,6,6,7,4,//up surface8,9,10,10,11,8,//down surface12,13,14,14,15,12,//left surface16,17,18,18,19,16,//right surface20,21,22,22,23,20};glEnable(GL_DEPTH_TEST);unsigned int buffer = 0, vertexArray = 0, indexBuffer = 0;glCreateVertexArrays(1, &vertexArray);glBindVertexArray(vertexArray);glCreateBuffers(1, &buffer);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertexes), vertexes, GL_STATIC_DRAW);glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 7 * sizeof(float), NULL);glEnableVertexAttribArray(1);glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 7 * sizeof(float), (const void*)(4 * sizeof(float)));glCreateBuffers(1, &indexBuffer);glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexBuffer);glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indexes), indexes, GL_STATIC_DRAW);Shader* pShader = new Shader("assets/shaders/TextureShader.glsl");while (!glfwWindowShouldClose(window) && run) {glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);glm::mat4 project = glm::perspective(glm::radians(camera.GetCameraZoom()), 640.0f / 480.0f, 0.1f, 100.0f);glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix();glm::mat4 ViewProject = project * view;pShader->Bind();pShader->UploadUniformat4("u_ViewProject", ViewProject);glDrawElements(GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_INT, NULL);glfwSwapBuffers(window);glfwPollEvents();}delete pShader;glfwDestroyWindow(window);glfwTerminate();
}void mouse_callback(GLFWwindow* window, double xposIn, double yposIn) {static float lastX = 320.0f, lastY = 240.0f;static bool firstMouse = true;float xpos = static_cast<float>(xposIn);float ypos = static_cast<float>(yposIn);if (firstMouse) {lastX = xpos;lastY = ypos;firstMouse = false;}float xoffset = xpos - lastX;float yoffset = lastY - ypos;lastX = xpos, lastY = ypos;camera.ProcessMouseMovement(xoffset, yoffset);
}void scroll_callback(GLFWwindow* window, double xoffsetIn, double yoffsetIn) {camera.ProcessMouseScroll(static_cast<float>(yoffsetIn));
}void key_callback(GLFWwindow* window, int key, int scancode, int action, int mods) {if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)run = false;
}

注意

        你可能注意到了，相机是不能绕过Y轴顶点的，但这里要声明的是并不是笔者的代码写错了，这是因为，如果绕道Y轴顶点，那么你看向的方向和世界向上的方向就平行了，这两个向量叉乘的结果是一个0向量，也就是根本没办法计算相机的右侧是那一边，相机的上边也同样没办法计算。这是纯数学问题导致的，纯数学问题也是最难解决的问题，现在多软件的相机使用都是四元数来解决这个问，有兴趣的朋友可以去查找相关资料。

总结

        此片文章看完OpenGL入门基础篇已经写完了，相信你也可以做一个像样的游戏出来了，比如以前红白机上的一些游戏，可能觉得很Low，但凡事都要一步一个脚印，游戏也是一路发展过来的，没有多少人生来就特别牛。笔者在这里感谢大家的支持。