OpenGL坐標(biāo)系

在學(xué)習(xí)坐標(biāo)系之前，我們先來(lái)了解下圖形的維度：

圖形的維度.png

2D笛卡爾積坐標(biāo)系

2D.png

X軸與Y軸互相垂直，它們共同定義了一個(gè)XY面，也就是說(shuō)，在任何坐標(biāo)系統(tǒng)中，2條軸如果垂直相交就定義了一個(gè)平面，如果一個(gè)系統(tǒng)只有2個(gè)軸，那么就只有一個(gè)平面用來(lái)繪制圖形。

3D笛卡爾積坐標(biāo)系

3D.png

左右手坐標(biāo)系.png

下面，我們先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下OpenGL中的幾個(gè)坐標(biāo)系的概念：

OpenGL攝像機(jī)坐標(biāo)系

攝像機(jī)坐標(biāo)系.jpg

攝像機(jī)坐標(biāo)系（照相機(jī)坐標(biāo)系）又稱為觀察者坐標(biāo)系，OpenGL中的觀察者是在原點(diǎn)的位置進(jìn)行觀察。

局部坐標(biāo)系(物體坐標(biāo)系)，世界坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系

坐標(biāo)系關(guān)聯(lián).png

局部坐標(biāo)系：局部坐標(biāo)系又稱為物體坐標(biāo)系/對(duì)象坐標(biāo)系，它與特定的物體相關(guān)聯(lián)，每個(gè)物體都有自己特定的坐標(biāo)系。不同物體之間的坐標(biāo)系相互獨(dú)立，當(dāng)物體發(fā)生移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，物體坐標(biāo)系發(fā)生相同的平移或者旋轉(zhuǎn)，物體坐標(biāo)系和物體之間運(yùn)動(dòng)同步，相互綁定。（舉個(gè)栗子：記得科目一有道題目是說(shuō)人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，方向的隨意性。每一個(gè)人都有自己的一個(gè)坐標(biāo)系，人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，每個(gè)人的方向都不一樣，都是按照自己的物體坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，不受他人的影響。）
世界坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系是一個(gè)特殊的坐標(biāo)系，它建立了描述其他坐標(biāo)系所需要的參考系。也就是說(shuō)，可以用世界坐標(biāo)系去描述其他所有坐標(biāo)系或者物體的位置。而且世界坐標(biāo)系是固定不變的。
慣性坐標(biāo)系：慣性坐標(biāo)系是為了簡(jiǎn)化世界坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的。慣性坐標(biāo)系的原點(diǎn)與物體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，慣性坐標(biāo)系的軸平行于世界坐標(biāo)系的軸。引入了慣性坐標(biāo)系之后，物體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到慣性坐標(biāo)系只需旋轉(zhuǎn)，從慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系只需平移。

坐標(biāo)系統(tǒng)變換過(guò)程.png

在上面的圖中，OpenGL只定義了裁剪坐標(biāo)系、規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系，然而物體坐標(biāo)系)世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系都是為了方便用戶設(shè)計(jì)而自定義的坐標(biāo)系。
其中，模型變換、視變換，投影變換，這些變換可以由用戶根據(jù)需要自行指定，這些內(nèi)容在頂點(diǎn)著色器中完成；透視除法、視口變換，這兩個(gè)步驟是OpenGL自動(dòng)執(zhí)行的，在頂點(diǎn)著色器處理后的階段完成。
下面我們通過(guò)攝像機(jī)拍攝物體（即從三維物體到二維圖像的過(guò)程）來(lái)展示一下上面的坐標(biāo)變換流程：
1.模型變換
我們將一個(gè)物體放在一個(gè)場(chǎng)景中，應(yīng)該就相當(dāng)于模型變換。模型變換是在世界坐標(biāo)系中進(jìn)行的，物體模型的中心定位在坐標(biāo)系的中心處，通過(guò)對(duì)物體模型執(zhí)行平移（glTranslate）、縮放（glScale）、旋轉(zhuǎn)（glRotate）等操作，來(lái)調(diào)整物體模型在世界坐標(biāo)系中的位置。
2.視變換

視變換.png

投影.png

透視投影：即離視點(diǎn)近的物體大，離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體小，遠(yuǎn)到極點(diǎn)即為消失。
正投影：又叫平行投影。這種投影的視景體是一個(gè)矩形的平行管道，也就是一個(gè)長(zhǎng)方體，正射投影的最大一個(gè)特點(diǎn)是無(wú)論物體距離相機(jī)多遠(yuǎn)，投影 后的物體大小尺寸不變。
如果在開發(fā)的過(guò)程中，渲染是二維的平面圖形，可以使用正投影的方式，就不會(huì)存在"近大遠(yuǎn)小"的問(wèn)題。
如果需要渲染立體圖形，為保證立體圖形的逼真效果，就使用透視投影。（在立體圖形下，使用正投影也可以，只是在顯示的過(guò)程中，沒(méi)有立體效果）。

4.透視除法
透視除法這個(gè)步驟是OpenGL自動(dòng)執(zhí)行的，在頂點(diǎn)著色器處理后的階段完成，無(wú)需我們開發(fā)者來(lái)處理。

著色器的渲染流程

著色器渲染流程.png

圖元裝配.png

下面我們先來(lái)解釋一下圖元裝配的流程：

1.坐標(biāo)系統(tǒng)：

坐標(biāo).png

2. 裁剪
   

   為了避免在可視景體之外處理圖元，圖元被裁剪到裁剪空間。執(zhí)行頂點(diǎn)著色器之后的頂點(diǎn)位置處于裁剪坐標(biāo)空間內(nèi)。裁剪坐標(biāo)是由(x, y, z, w)指定的同類坐標(biāo)。在裁剪空間(x, y, z, w)中定義的頂點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)視景體裁剪。下圖是一個(gè)裁剪體，由6個(gè)裁剪平面定義，稱作近、遠(yuǎn)、左、右、上、下裁剪平面。
   裁剪.png
   
   裁剪階段將把每個(gè)圖元裁剪為上圖所示的裁剪體。
   

   對(duì)于每種圖元類型，執(zhí)行以下操作：
   裁剪三角形： 如果三角形完全在視景體內(nèi)部，則不執(zhí)行任何裁剪。如果三角形完全在視景體外，則該三角形被放棄。如果三尖形部分在視景體內(nèi)，則根據(jù)相應(yīng)的屏幕裁剪三角形。裁剪操作將生成新的頂點(diǎn)，這些頂點(diǎn)被裁剪到三角扇形的平面。
   裁剪直線：直線完全在視景體內(nèi)部，則不執(zhí)行任何裁剪。如果直線完全在視景體之外，則該直線被放棄。
   裁剪點(diǎn) ： 如果點(diǎn)位置在近平面或遠(yuǎn)平面之外，則被拋棄。否則將不做變化地通過(guò)該階段。
   頂點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)透視裁剪分割之后，變成規(guī)范化的設(shè)備坐標(biāo)。規(guī)范化的設(shè)備坐標(biāo)范圍是 -1.0 到 1.0。

3.透視分割
透視分割將裁剪坐標(biāo)(x, yy, z, w) 指定的點(diǎn)投影到屏幕或者視口上。投影動(dòng)作將(x, y, z)執(zhí)行(x/w)、(y/w)、(z/w) 之后，我們得到規(guī)范化的設(shè)備坐標(biāo)(x’, y‘, z’)。這些坐標(biāo)被稱為規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)。這些規(guī)范化的坐標(biāo)根據(jù)視口的大小將被轉(zhuǎn)換為真正的屏幕(或窗口)坐標(biāo)。規(guī)范化的z坐標(biāo)將用glDepthRangef 指定的near 和far深度值轉(zhuǎn)換為屏幕的z值。這些轉(zhuǎn)換在視口變換階段進(jìn)行。

4.視口變換
視口變換專業(yè)解釋為：OpenGL 對(duì)裁剪坐標(biāo)執(zhí)行透視除法從而將它們變換到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)。OpenGL 會(huì)使用 glViewPort 內(nèi)部的參數(shù)來(lái)將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備坐標(biāo)映射到屏幕坐標(biāo)，每個(gè)坐標(biāo)都關(guān)聯(lián)了一個(gè)屏幕上的點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程稱為視口變換。
視口變換就是將視景體內(nèi)投影的物體顯示在二維的視口平面上。就是我們?cè)谑褂谜障鄼C(jī)拍攝完成后，進(jìn)行沖洗底片，決定相片的放大與縮小，它相當(dāng)與OpenGL中的視口變換。

視口.jpeg

當(dāng)然這個(gè)步驟也是OpenGL自動(dòng)執(zhí)行的，在頂點(diǎn)著色器處理后的階段完成。

void glViewport(GLint x, GLint y, GLsizei w, GLsizei h)
x, y, 指定視口左下角的窗口坐標(biāo)，以像素表示
w, h,指定視口的寬度和高度，這些值必須大于0

渲染.png

1.創(chuàng)建頂點(diǎn)。
2.然后通過(guò)頂點(diǎn)著色器渲染。
3.連接信息條，通過(guò)各個(gè)頂點(diǎn)連接成幾何圖形。
4.光柵化：其實(shí)是確定像素點(diǎn)在屏幕上繪制的位置，然后這些片段由片元著色器處理（輸入給片元著色器）。
5.光柵化階段生成每個(gè)片元執(zhí)行這個(gè)著色器。
6.最終呈現(xiàn)出圖形。

5.光柵化：
在頂點(diǎn)變換和圖元裁剪之后，光柵化管線取得單獨(dú)圖元并為該圖元生成對(duì)應(yīng)的片段。每個(gè)片段由屏幕空間中的整數(shù)位置(x, y)標(biāo)識(shí)。

光柵化.png