good_viewing_第3章

1、1OpenGL 的觀察取景的觀察取景（Viewing and Projections）趙趙 星星首都師范大學(xué)檢測(cè)成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首都師范大學(xué)檢測(cè)成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室20142014年年3 3月月2一、取景的基本過(guò)程一、取景的基本過(guò)程31.概述：相機(jī)類比概述：相機(jī)類比(1)模型變換 （modeling），調(diào)整被拍攝物的位置，朝向(2)視點(diǎn)變換 （viewing），調(diào)整視點(diǎn)的位置，朝向(3)投影變換 （projection），調(diào)整鏡頭（放大倍數(shù)，取景形狀等）(4)視口變換 （viewport），根據(jù)視口決定照片形狀42. 頂點(diǎn)變換過(guò)程頂點(diǎn)變換過(guò)程 為指定視點(diǎn)變換、模型變換和投影變換，需要建立一個(gè)44的矩陣

2、(M)，然后將其與場(chǎng)景中每個(gè)頂點(diǎn)(v)的坐標(biāo)相乘，來(lái)完成變換：v = Mv5視點(diǎn)總是個(gè)視點(diǎn)總是個(gè)4元坐標(biāo)元坐標(biāo)(x,y,z,w)，雖然在大多數(shù)情況下，雖然在大多數(shù)情況下，w為為1，且對(duì)于二，且對(duì)于二維頂點(diǎn)，維頂點(diǎn)，z為為0。除頂點(diǎn)外，這些變換還將自動(dòng)應(yīng)用于法線向量，以確保法線向量和頂點(diǎn)除頂點(diǎn)外，這些變換還將自動(dòng)應(yīng)用于法線向量，以確保法線向量和頂點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系保持不變。數(shù)據(jù)之間的關(guān)系保持不變。視點(diǎn)變換和模型變換將被合并，形成模型視點(diǎn)矩陣，并將其應(yīng)用于物體視點(diǎn)變換和模型變換將被合并，形成模型視點(diǎn)矩陣，并將其應(yīng)用于物體坐標(biāo)，就得到視點(diǎn)坐標(biāo)坐標(biāo)，就得到視點(diǎn)坐標(biāo)(eye coordinate)。投影矩

3、陣將定義的視景體以外的物體裁剪掉，經(jīng)過(guò)投影除法投影矩陣將定義的視景體以外的物體裁剪掉，經(jīng)過(guò)投影除法(perspective division)，將坐標(biāo)值除以，將坐標(biāo)值除以w, 生成歸一化的設(shè)備坐標(biāo)。生成歸一化的設(shè)備坐標(biāo)。根據(jù)根據(jù)x坐標(biāo)和坐標(biāo)和y坐標(biāo)，足以確定在屏幕上繪制哪些像素；然而，所有變換坐標(biāo)，足以確定在屏幕上繪制哪些像素；然而，所有變換都將作用于都將作用于z坐標(biāo)坐標(biāo). 這樣，經(jīng)過(guò)變換后，這樣，經(jīng)過(guò)變換后， z值將準(zhǔn)確地反映頂點(diǎn)的深度值將準(zhǔn)確地反映頂點(diǎn)的深度（離屏幕的距離），深度值的用途之一就是避免不必要的繪制工作。（離屏幕的距離），深度值的用途之一就是避免不必要的繪制工作。6. 通用變換

4、函數(shù)通用變換函數(shù)void glMatrixMode(GLenum mode)調(diào)用變換函數(shù)之前，必須指定需要修改的是模型視點(diǎn)矩陣還是投影調(diào)用變換函數(shù)之前，必須指定需要修改的是模型視點(diǎn)矩陣還是投影矩陣，為此用該函數(shù)選擇要修改的矩陣。矩陣，為此用該函數(shù)選擇要修改的矩陣。指定要修改的矩陣類型，參數(shù)指定要修改的矩陣類型，參數(shù)mode的取值為：的取值為：GL_MODELVIEW、GL_PROJECTION或者或者GL_TEXTURE；指定后，則接下來(lái)的變換；指定后，則接下來(lái)的變換函數(shù)將影響指定的矩陣。函數(shù)將影響指定的矩陣。注意，每次只能修改一種矩陣。默認(rèn)情況下，模型視點(diǎn)矩陣處于被注意，每次只能修改一種矩陣

5、。默認(rèn)情況下，模型視點(diǎn)矩陣處于被修改的狀態(tài)，其他三種矩陣都為單位矩陣。修改的狀態(tài)，其他三種矩陣都為單位矩陣。7void glLoadIdentity() 將當(dāng)前可被修改的矩陣設(shè)置為一個(gè)將當(dāng)前可被修改的矩陣設(shè)置為一個(gè)4 4的單位矩陣。的單位矩陣。void glLoadMatrixfd(const TYPE *m); 將當(dāng)前矩陣中的將當(dāng)前矩陣中的16個(gè)值設(shè)置為參數(shù)個(gè)值設(shè)置為參數(shù)m指定的值指定的值。void glMultMatrixfd(const TYPE *m); 將將m指定的指定的16元素矩陣乘以當(dāng)前矩陣，并將結(jié)果作為當(dāng)前矩陣元素矩陣乘以當(dāng)前矩陣，并將結(jié)果作為當(dāng)前矩陣。8Figure :先旋轉(zhuǎn)

6、或者先平移先旋轉(zhuǎn)或者先平移 二、模型變換和視點(diǎn)變換二、模型變換和視點(diǎn)變換 先看兩種簡(jiǎn)單的變換：繞先看兩種簡(jiǎn)單的變換：繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度的和沿度的和沿x軸平移。軸平移。 物體最初位于原點(diǎn)。如果先旋轉(zhuǎn)再平移，變換后的物體將位于物體最初位于原點(diǎn)。如果先旋轉(zhuǎn)再平移，變換后的物體將位于x軸軸上；但如果先沿著上；但如果先沿著x軸平移，再繞軸平移，再繞z軸旋轉(zhuǎn)，物體將位于直線軸旋轉(zhuǎn)，物體將位于直線y=x上。上。9. 模型變換模型變換移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或縮放來(lái)變換物體（或坐標(biāo)系）.1 平移平移void glTranslatefd(TYPEx, TYPE y, TYPEz); 將一個(gè)矩陣與當(dāng)前矩陣相乘，

7、以便將物體(或局部坐標(biāo)系)平移x,y 和z指定的矩陣。10. 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)void glRotatefd(TYPE Ang, TYPEx, TYPE y, TYPEz); 將一個(gè)矩陣與當(dāng)前矩陣相乘，該矩陣將物體(或局部坐標(biāo)系)繞原點(diǎn)到點(diǎn)(x,y,z)的直線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)angle角度。物體離旋轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑越大，旋轉(zhuǎn)后移動(dòng)的距離越遠(yuǎn)。11圖：圖：glScalef(2.0, -0.5, 1.0) 的作用的作用. 縮放縮放void glScalefd(TYPEx, TYPE y, TYPEz); 將一個(gè)矩陣與當(dāng)前矩陣相乘，該矩陣將物體縮放或沿著坐標(biāo)軸反射物體。物體上每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)都乘以參數(shù)x,y和z.1

8、2Figure : 物體和視點(diǎn)都在原點(diǎn)2. 視點(diǎn)變換視點(diǎn)變換改變視點(diǎn)的位置和方向。視點(diǎn)變換通常改變視點(diǎn)的位置和方向。視點(diǎn)變換通常由平移和旋轉(zhuǎn)組成。由平移和旋轉(zhuǎn)組成。模型變換中將物體反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，相當(dāng)模型變換中將物體反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，相當(dāng)于在視點(diǎn)變換中將相機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。于在視點(diǎn)變換中將相機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于視點(diǎn)默認(rèn)位于原點(diǎn)，同時(shí)為了簡(jiǎn)單由于視點(diǎn)默認(rèn)位于原點(diǎn)，同時(shí)為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，通常在原點(diǎn)處構(gòu)建物體，因此必起見(jiàn)，通常在原點(diǎn)處構(gòu)建物體，因此必須進(jìn)行一些變換，以便能夠看到物體。須進(jìn)行一些變換，以便能夠看到物體。13Figure ：使視點(diǎn)遠(yuǎn)離物體：使視點(diǎn)遠(yuǎn)離物體最簡(jiǎn)單的方式是：將視最簡(jiǎn)單的方式是：將視點(diǎn)后移，使

9、之遠(yuǎn)離物體；點(diǎn)后移，使之遠(yuǎn)離物體；這相當(dāng)于將物體前移，這相當(dāng)于將物體前移，使之遠(yuǎn)離視點(diǎn)。使之遠(yuǎn)離視點(diǎn)。glTranslatef(0.0, 0.0, -5.0); 將場(chǎng)景中的物體沿將場(chǎng)景中的物體沿z軸負(fù)方向移動(dòng)軸負(fù)方向移動(dòng)5個(gè)單位，個(gè)單位，這相當(dāng)于將相機(jī)沿這相當(dāng)于將相機(jī)沿z軸正軸正方向移動(dòng)方向移動(dòng)5個(gè)單位。個(gè)單位。14三三. 透視變換透視變換1. 透視投影透視投影投影變換旨在定義視景體。投影變換旨在定義視景體。視景體的用途有兩個(gè)視景體的用途有兩個(gè): (1) 決定了物體將被如何投影到屏幕上，決定了物體將被如何投影到屏幕上，即使用透視投影還是正交投影。即使用透視投影還是正交投影。(2) 決定了哪些物

10、體或物體的哪決定了哪些物體或物體的哪些部分將被裁剪掉。些部分將被裁剪掉。調(diào)用投影函數(shù)之前，需要調(diào)用下面兩個(gè)函數(shù)：調(diào)用投影函數(shù)之前，需要調(diào)用下面兩個(gè)函數(shù)： glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); 透視投影最顯著的特征是：物體離相機(jī)越遠(yuǎn)，在圖像上就顯得透視投影最顯著的特征是：物體離相機(jī)越遠(yuǎn)，在圖像上就顯得越小。越小。因?yàn)橥队巴队暗囊暰绑w是一個(gè)棱錐臺(tái)；因?yàn)橥队巴队暗囊暰绑w是一個(gè)棱錐臺(tái)；這種方法與人眼和相機(jī)的工作原理類似，因此常被用于動(dòng)畫(huà)、這種方法與人眼和相機(jī)的工作原理類似，因此常被用于動(dòng)畫(huà)、視覺(jué)模擬以及試圖實(shí)現(xiàn)真實(shí)感的應(yīng)用程序中。視覺(jué)模擬以及試圖

11、實(shí)現(xiàn)真實(shí)感的應(yīng)用程序中。15glFrustum() 指定的透視視景體void glFrustum(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far); 作用：建立一個(gè)用于透視投影的矩陣，并乘以當(dāng)前矩陣。作用：建立一個(gè)用于透視投影的矩陣，并乘以當(dāng)前矩陣。Frustum函數(shù)的視景體由參數(shù)：函數(shù)的視景體由參數(shù)： (left, bottom, -near) 和和 (right, top, -near) 左左下角和右上角的下角和右上角的(x, y, z) 坐標(biāo)；坐標(biāo)；near

12、 和和 far 給定視點(diǎn)（給定視點(diǎn)（ viewpoint ）的近裁剪的近裁剪 (clipping)面和遠(yuǎn)裁剪面和遠(yuǎn)裁剪 (clipping)面面. 應(yīng)該總是為正。應(yīng)該總是為正。16gluPerspective() 指定的透視視景體17正交投影視景體2. 正交投影正交投影18void glOrtho(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble near, GLdouble far); 創(chuàng)建一個(gè)與指定的正交平行視景體對(duì)應(yīng)的矩陣，并將其與當(dāng)前矩陣相乘。(left, bottom, -near)和(rig

13、ht, top, -near)分別是近裁剪面的視區(qū)窗口左下角和右上角點(diǎn)：而(left, bottom, -far)和(right, top, -far)分別是遠(yuǎn)裁剪面上視區(qū)窗口左下角和右上角點(diǎn)。1920四四. 視口變換視口變換 視口是窗口中用于繪制圖像的矩形區(qū)域。視口是窗口中用于繪制圖像的矩形區(qū)域。 視口變換相當(dāng)于選擇照片的大?。喝缦Ｍ掌珏X包那么大還是視口變換相當(dāng)于選擇照片的大?。喝缦Ｍ掌珏X包那么大還是象海報(bào)那么大。象海報(bào)那么大。21 定義視口定義視口缺省情況下，視口為窗口中的整個(gè)像素矩形。要指定更小的繪圖區(qū)缺省情況下，視口為窗口中的整個(gè)像素矩形。要指定更小的繪圖區(qū)域，可以使用函數(shù)域，

14、可以使用函數(shù)glViewport(); void glViewport(GLint x, GLint y, GLsizei width, GLsizei height); 在窗口中指定一個(gè)用于顯示圖像的像素矩形。參數(shù)(x,y)是視口左下角的（在第一象限內(nèi)，以（0，0）為原點(diǎn)的）坐標(biāo)，而參數(shù)width和height為視口的大小。22例如，可以在通過(guò)劃分窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)多畫(huà)面效果，在同一例如，可以在通過(guò)劃分窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)多畫(huà)面效果，在同一個(gè)窗口中顯示多個(gè)視圖。個(gè)窗口中顯示多個(gè)視圖。23五、使用三角函數(shù)計(jì)算視野五、使用三角函數(shù)計(jì)算視野 即使相機(jī)的朝向正確，可即使相機(jī)的朝向正確，可以看到物體，物體還是可以看到物體，物體還是可能顯得太大或者太小。能顯得太大或者太小。 如果使用函數(shù)如果使用函數(shù)gluPerpective()，則需要調(diào)，則需要調(diào)整其第一個(gè)參數(shù)的值，來(lái)整其第一個(gè)參數(shù)的值，來(lái)改變定義視野的角度。改變定義視野的角度。24六六. 矩陣堆棧操作矩陣堆棧操作矩陣堆棧對(duì)于構(gòu)造層次模型很有用。在層次模型中，復(fù)雜的物體是由簡(jiǎn)單物體組成的。由于變換是以矩陣方式