學(xué)習(xí)書(shū)籍： OpenGL 超級(jí)寶典(中文第五版) 密碼:fu4w

書(shū)籍源碼：OpenGL 超級(jí)寶典第五版源代碼 密碼:oyb4

環(huán)境搭建：OpenGL 學(xué)習(xí) 01 - Mac 搭建 OpenGL 環(huán)境

PS：因?yàn)橐院?Demo 源碼代碼量會(huì)越來(lái)越多，不太可能全部復(fù)制在這里了，我就解釋下 Demo 的核心源碼，全部源碼請(qǐng)前往我的 github/OpenGLDemo 下載，源碼里會(huì)有詳細(xì)注釋。

基本概念

一、向量

一個(gè)頂點(diǎn)是 XYZ 空間坐標(biāo)系的一個(gè)位置(x,y,z)，這一個(gè)坐標(biāo)也能表示一個(gè)向量，是從坐標(biāo)原點(diǎn)指向這個(gè)位置點(diǎn)的一個(gè)向量（帶箭頭的線段）。

在 OpenGL 里，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類(lèi)型為 M3DVector3f(3維浮點(diǎn)向量)、M3DVector4f(4維浮點(diǎn)向量)

向量之間計(jì)算的幾何意義看下圖：

二、矩陣

矩陣是一種功能非常強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具，大大簡(jiǎn)化了求解變量之間有復(fù)雜關(guān)系的方程或方程組的過(guò)程。

在 OpenGL 里，主要運(yùn)用于坐標(biāo)變換，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類(lèi)型有M3DMatrix33f(3x3浮點(diǎn)矩陣)、M3DMatrix44f(4x4浮點(diǎn)矩陣)等。

注意：矩陣的乘法是不滿(mǎn)足交換律的，即 AB != BA

三、變換

1. 視圖變換

視圖變換是應(yīng)用到場(chǎng)景的第一種變換，用于確定場(chǎng)景中的有利位置，即觀察者的位置，就像在場(chǎng)景中放置照相機(jī)并讓它指向某個(gè)方向。

2. 模型變換

物體本身的坐標(biāo)變換，有旋轉(zhuǎn)、平移、縮放3種基礎(chǔ)模型變換。

3. 模型視圖變換

實(shí)際上就是視圖變換和模型變換的結(jié)合，因?yàn)橐晥D變換和模型變換實(shí)質(zhì)上是一樣的，只是為了程序員方便而區(qū)分出來(lái)，因?yàn)槟阋苿?dòng)物體向前10m，和觀察者向后移動(dòng)10m，最終效果是一樣的。

4. 投影變換

投影變換有正投影和透視投影：

• 正投影（平行投影）：無(wú)論物體有多遠(yuǎn)，都會(huì)按照同樣大小進(jìn)行繪制。
• 透視投影：遠(yuǎn)處的物體看起來(lái)會(huì)比近處同樣大小的物體更小一些。

5. 視口變換

將邏輯窗口坐標(biāo)映射到物理窗口坐標(biāo)的變換，稱(chēng)為視口變換，通常我們不需要為這事操心，圖形硬件已經(jīng)為我們做好了這些。

源碼解析

一、矩陣變換

// 加載單位矩陣
void m3dLoadIdentity44(M3DMatrix44f m);
// 沿著 x/y/z 軸平移
void m3dTranslationMatrix44(M3DMatrix44f m, float x, float y, float z);
// 沿著 x/y/z 軸旋轉(zhuǎn) angle（弧度）
void m3dRotationMatrix44(M3DMatrix44f m, float angle, float x, float y, float z);
// 在 x/y/z 軸上進(jìn)行縮放
void m3dScaleMatrix44(M3DMatrix44f m, float xScale, float yScale, float zScale);
// 矩陣 a 和矩陣 b 相乘得到矩陣 product
void m3dMatrixMultiply44(M3DMatrix44f product, const M3DMatrix44f a, const  M3DMatrix44f b);

08-MoveByMatrix 核心源碼如下，全部源碼下載：08-MoveByMatrix

// 創(chuàng)建3個(gè)4x4矩陣，分別是合成矩陣、平移矩陣、旋轉(zhuǎn)矩陣
M3DMatrix44f mFinalTransform, mTranslationMatrix, mRotationMatrix;
// 平移(xPos, yPos, 0)的矩陣表示
m3dTranslationMatrix44(mTranslationMatrix, xPos, yPos, 0.0f);
// 繞z軸旋轉(zhuǎn)的矩陣，每次旋轉(zhuǎn)角度加 5 度，m3dDegToRad = 角度 -> 弧度
static float zRot = 0.0f;
zRot += 5.0f;
m3dRotationMatrix44(mRotationMatrix, m3dDegToRad(zRot), 0.0f, 0.0f, 1.0f);
// 矩陣相乘，參數(shù)順序很重要，先平移，后旋轉(zhuǎn)
m3dMatrixMultiply44(mFinalTransform, mTranslationMatrix, mRotationMatrix);

二、投影矩陣

設(shè)置投影矩陣是通過(guò)視景體（GLFrustum）來(lái)設(shè)置的

[GLFrustum] { // 僅僅表示以下方法是 GLFrustum 的方法
    // 設(shè)置正投影矩陣參數(shù)，(x, y, z)最小和最大值
    void SetOrthographic(GLfloat xMin, GLfloat xMax, 
                         GLfloat yMin, GLfloat yMax, 
                         GLfloat zMin, GLfloat zMax);
    // 設(shè)置透視投影矩陣參數(shù)，分別為：透視角，寬高比，近距，遠(yuǎn)距
    void SetPerspective(float fFov, float fAspect, float fNear, float fFar);
    // 獲取投影矩陣
    const M3DMatrix44f& GetProjectionMatrix(void);
}

為了方便管理各個(gè)矩陣，GLTools 提供了矩陣堆棧 GLMatrixStack，默認(rèn)堆棧最大深度為 64，有壓棧、出棧等操作。

[GLMatrixStack] { // 僅僅表示以下方法是 GLMatrixStack 的方法
    // -------- 矩陣加載 -----------
    // 在棧頂載入單元矩陣，載入即覆蓋
    void LoadIdentity(void);
    // 在棧頂載入任何矩陣
    void LoadMatrix(const M3DMatrix44f m);
    // 用棧頂矩陣乘以某個(gè)矩陣，得到的結(jié)果矩陣覆蓋原來(lái)的棧頂矩陣
    void MultMatrix(const M3DMatrix44f mMatrix);
    // 獲取棧頂矩陣
    const M3DMatrix44f& GetMatrix(void);
    // -------- 出棧壓棧 -----------
    // 壓棧，在棧頂壓入一個(gè)矩陣
    void PushMatrix(const M3DMatrix44f mMatrix);
    // 出棧，把棧頂矩陣移除矩陣堆棧
    void PopMatrix(void);
    // -------- 仿射變換 -----------
    // 棧頂矩陣進(jìn)行縮放變換
    void Scale(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);
    // 棧頂矩陣進(jìn)行平移變換
    void Translate(GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);
    // 棧頂矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換
    void Rotate(GLfloat angle, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);
}

而為了方便管理模型視圖矩陣堆棧和投影矩陣堆棧，GLTools 為我們提供了管理管線 GLGeometryTransform，幫助我們跟蹤記錄這兩種矩陣堆棧，并快速檢索模型視圖矩陣堆棧頂部或投影矩陣堆棧頂部。

[GLGeometryTransform] { // 僅僅表示以下方法是 GLGeometryTransform 的方法
    // ----------- 設(shè)置矩陣堆棧 ---------
    // 單獨(dú)設(shè)置模型視圖矩陣堆棧
    void SetModelViewMatrixStack(GLMatrixStack& mModelView);
    // 單獨(dú)設(shè)置投影矩陣堆棧
    void SetProjectionMatrixStack(GLMatrixStack& mProjection);
    // 同時(shí)設(shè)置模型視圖矩陣堆棧和投影矩陣堆棧
    void SetMatrixStacks(GLMatrixStack& mModelView, GLMatrixStack& mProjection);
    // ----------- 獲取堆棧頂部 ---------
    // 獲取模型視圖矩陣堆棧的棧頂矩陣
    const M3DMatrix44f& GetModelViewMatrix(void);
    // 獲取投影矩陣堆棧的棧頂矩陣
    const M3DMatrix44f& GetProjectionMatrix(void);
    // 獲取2個(gè)矩陣堆棧的棧頂矩陣相乘的結(jié)果矩陣
    const M3DMatrix44f& GetModelViewProjectionMatrix(void);
}

10-Orthographic 核心源碼如下，全部源碼下載：10-Orthographic

// 設(shè)置正投影參數(shù)，(xMin, xMax, yMin, yMax, zMin, zMax)
viewFrustum.SetOrthographic(-130.0f, 130.0f, -130.0f, 130.0f, -130.0f, 130.0f);
// 獲得到的正投影矩陣載入堆棧中
projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
// 變換管線，管理2個(gè)堆棧
transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatix, projectionMatrix);

11-Perspective 核心源碼如下，全部源碼下載：11-Perspective

// 設(shè)置透視投影矩陣參數(shù)，分別為：透視角，寬高比，近距，遠(yuǎn)距
viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(width)/float(height), 1.0f, 1000.0f);
// 載入透視投影矩陣
projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
// 利用變換管線，管理2個(gè)堆棧
transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatix, projectionMatrix);

12-ModelViewProjection 核心源碼如下，全部源碼下載：12-ModelViewProjection

// 窗口渲染回調(diào)
void RenderScene(void) {
    // 定義一個(gè)測(cè)試運(yùn)行時(shí)間
    static CStopWatch rotTimer;
    // 獲取到上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)到當(dāng)前的時(shí)間間隔(單位是每秒刻度數(shù)，即  1/60s)
    float yRot = rotTimer.GetElapsedSeconds() * 60.0f;
    // 清空緩沖區(qū)
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    // 定義矩陣
    M3DMatrix44f mTranslate, mRotate, mModelview, mModelViewProjection;
    // 向z軸平移的矩陣變換
    m3dTranslationMatrix44(mTranslate, 0.0f, 0.0f, -2.5f);
    // 繞y軸旋轉(zhuǎn)的矩陣變換
    m3dRotationMatrix44(mRotate, m3dDegToRad(yRot), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    // 矩陣變換的合并矩陣
    m3dMatrixMultiply44(mModelview, mTranslate, mRotate);
    // 投影矩陣 + 視圖變換矩陣 = 最終物體位置坐標(biāo)
    m3dMatrixMultiply44(mModelViewProjection, viewFrustum.GetProjectionMatrix(), mModelview);
    // 繪制花托
    GLfloat vBlack[] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, mModelViewProjection, vBlack);
    torusBatch.Draw();
    // 因?yàn)槭请p緩沖區(qū)模式，后臺(tái)緩沖區(qū)替換到前臺(tái)緩存區(qū)進(jìn)行顯示
    glutSwapBuffers();
    // 自動(dòng)觸發(fā)下次渲染回調(diào)，達(dá)到動(dòng)畫(huà)的效果
    glutPostRedisplay();
}

上面的 Demo 源碼全部都放在我的 github/OpenGLDemo 上，大家可以去下載和調(diào)試。

有什么問(wèn)題可以在下方評(píng)論區(qū)提出，寫(xiě)得不好可以提出你的意見(jiàn)，我會(huì)合理采納的，O(∩_∩)O哈哈~，求關(guān)注求贊