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Aaron Robert
2018-06-24 10:32:37 +08:00
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@@ -0,0 +1,350 @@
# 摄像机Camera
在这个章节我们将学到如何渲染3D场景的画面这个能力就像一个摄像机可以在3D世界穿梭然而实际上是用来说明他的一种编程语言。
但是如果你尝试在OpenGL寻找中这些特定的摄像机功能你会发现这根本不是摄像机换句话说摄像机一直是固定住的以屏幕\(0, 0, 0\)的位置为中心点
之所以这样我们应该模拟出一个摄像机可以在三维度空间中移动的摄像机。但是如何做到呢但是摄像机是不能移动的我们必须要移动全部的实体在我们的3D世界中。换句话说如果移动不了摄像机我们得移动整个世界。
因此假设我们沿着Z轴移动摄像机从\(Cx, Cy, Cz\)到\(Cx, Cy, Cz+dz\),从而靠近在\(Ox, Oy, Oz\)放置的目标
![摄像机的运动](_static/08/camera_movement.png)
我们将要做的是如何精确的移动摄像机移动到相反的方向\(在我们的3D空间中的所有物体\)。想想看,其实就像物体在跑步机上跑步一样。
![实际的运动](_static/08/actual_movement.png)
摄像机可以沿着三个轴\(x, y and z\),也可以沿着他们旋转\(滚动, 俯视和偏斜"yaw"\).
![侧倾和偏斜](_static/08/roll_pitch_yaw.png)
所以从基本上我们必须做的就是让移动和旋转对于我们所设置的3D世界全部实体。我们应该怎么做捏答案是用另外一种转化方法把他变化所有在摄像机运动方向上相反的顶点从而根据摄像机的旋转进而旋转他们。当然这将要用另外一个矩阵所谓的视图矩阵来完成。这个矩阵首先执行平移然后沿着轴线进行旋转。
让我们看看如何构造这个矩阵。如果你记得变化章节第6章的转换方程式这样的:
$$Transf = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack TranslationMatrix \rbrack \cdot \lbrack RotationMatrix \rbrack \cdot \lbrack ScaleMatrix \rbrack = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack WorldMatrix \rbrack$$
在这投影的相乘矩阵之前,应该先应用视图矩阵,之后我们的方程式应该是这样的:
$$Transf = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack ViewMatrix \rbrack \cdot \lbrack TranslationMatrix \rbrack \cdot \lbrack RotationMatrix \rbrack \cdot \lbrack ScaleMatrix \rbrack = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack ViewMatrix \rbrack \cdot \lbrack WorldMatrix \rbrack $$
现在有三个矩阵,我们应该思考一下这些矩阵的生命的周期。在我们的游戏运行的时候,投影矩阵不应该改变的太多,在情况最不好的时候,每个渲染都要调用才可能改变一次。如果摄像机移动,则视图矩阵可以在每一次渲染改变一次。视图矩阵每`GameItem`项改变一次,所以每次渲染调用都会改变许多次。
因此,如何把每一个矩阵推到顶点着色器呢?您可能会看到一些代码,使用三个统一的每一个矩阵,但原则上,最有效的方法是结合投影和视图矩阵,我们称之为`PV`矩阵,并推动`world``PV`矩阵到我们的着色器。通过这种方法,我们将有可以与世界坐标一起进行并且可以避免一些额外的运算。
实际上最方便的方法是将视图与世界矩阵相结合。为什么会这样因为要记住整个摄像机的概念就是戏法但要做的是推动整个世界来模拟世界的位移和只显示一小部分的3D世界。因此如果直接联合世界坐标一起工作这样可能会引起远离中心点的世界坐标系会遇到一些精度的问题。如果在所谓的摄像机空间中工作利用点的性质虽然远离世界的中心点但也靠近摄像机。可以将视图和世界矩阵相结合的矩阵通常被称为模型视图矩阵。
让我们开始修改代码来支持摄像机。首先,先创建一个新的类,称为`Camera`,它将确保持相机的位置与旋转的方向。该类将提供新位置或旋转方向\(`setPosition` or `setRotation`\)的方法,或在当前状态\(`movePosition` and `moveRotation`\)上用偏移量更新这些值。
```java
package org.lwjglb.engine.graph;
import org.joml.Vector3f;
public class Camera {
private final Vector3f position;
private final Vector3f rotation;
public Camera() {
position = new Vector3f(0, 0, 0);
rotation = new Vector3f(0, 0, 0);
}
public Camera(Vector3f position, Vector3f rotation) {
this.position = position;
this.rotation = rotation;
}
public Vector3f getPosition() {
return position;
}
public void setPosition(float x, float y, float z) {
position.x = x;
position.y = y;
position.z = z;
}
public void movePosition(float offsetX, float offsetY, float offsetZ) {
if ( offsetZ != 0 ) {
position.x += (float)Math.sin(Math.toRadians(rotation.y)) * -1.0f * offsetZ;
position.z += (float)Math.cos(Math.toRadians(rotation.y)) * offsetZ;
}
if ( offsetX != 0) {
position.x += (float)Math.sin(Math.toRadians(rotation.y - 90)) * -1.0f * offsetX;
position.z += (float)Math.cos(Math.toRadians(rotation.y - 90)) * offsetX;
}
position.y += offsetY;
}
public Vector3f getRotation() {
return rotation;
}
public void setRotation(float x, float y, float z) {
rotation.x = x;
rotation.y = y;
rotation.z = z;
}
public void moveRotation(float offsetX, float offsetY, float offsetZ) {
rotation.x += offsetX;
rotation.y += offsetY;
rotation.z += offsetZ;
}
}
```
下一步 `Transformation` 到类中,将用一个新矩阵来保存视图矩阵的数值。
```java
private final Matrix4f viewMatrix;
```
我们将要提供一种更新这个值的方法。与投影矩阵一样,这个矩阵对于渲染周期中要渲染的所面对的对象都是相同的。
```java
public Matrix4f getViewMatrix(Camera camera) {
Vector3f cameraPos = camera.getPosition();
Vector3f rotation = camera.getRotation();
viewMatrix.identity();
// First do the rotation so camera rotates over its position
viewMatrix.rotate((float)Math.toRadians(rotation.x), new Vector3f(1, 0, 0))
.rotate((float)Math.toRadians(rotation.y), new Vector3f(0, 1, 0));
// Then do the translation
viewMatrix.translate(-cameraPos.x, -cameraPos.y, -cameraPos.z);
return viewMatrix;
}
```
正如你所看到的,我们首先需要做旋转,然后翻译。如果我们做相反的事情,我们不会沿着摄像机位置旋转,而是沿着坐标原点旋转。请注意,在`Camera`类的`movePosition`方法中我们不只是简单地增加相机位置的偏移量。我们还考虑了沿Y轴的旋转偏航以便计算最终位置。如果我们只是通过偏移来增加相机的位置相机就不会朝着它的方向移动。
正如你所看到的我们首先需要做旋转然后翻译。如果我们做相反的事情我们不会沿着摄像机位置旋转而是沿着坐标原点旋转。请注意在“摄像机”类的“移动位置”方法中我们不只是简单地增加相机位置的偏移量。我们还考虑了沿Y轴的旋转偏航以便计算最终位置。如果我们只是通过偏移来增加相机的位置相机就不会朝着它的方向移动。
除了上面提到的,我们这里没有一个完全自由移动的摄像机\(例如如果我们沿着X轴旋转当我们向前移动时摄像机不会在空中向上或向下移动\)。这将在后面的章节中完成,因为这有点复杂。
最后,我们将删除以前的方法`getWorldMatrix`,并添加一个新的名为`getModelViewMatrix`的方法。
```java
public Matrix4f getModelViewMatrix(GameItem gameItem, Matrix4f viewMatrix) {
Vector3f rotation = gameItem.getRotation();
modelViewMatrix.identity().translate(gameItem.getPosition()).
rotateX((float)Math.toRadians(-rotation.x)).
rotateY((float)Math.toRadians(-rotation.y)).
rotateZ((float)Math.toRadians(-rotation.z)).
scale(gameItem.getScale());
Matrix4f viewCurr = new Matrix4f(viewMatrix);
return viewCurr.mul(modelViewMatrix);
}
```
这个`getModelViewMatrix`方法将在每个`GameItem`实例中调用,因此我们必须对视图矩阵的副本进行处理,因此在每次调用中都不会积累转换\(记住`Matrix4f`类不是不可变的\).
`Renderer`类的`render`方法中,在投影矩阵更新之后,我们只需要根据摄像机的更新视图矩阵的值,。
```java
// Update projection Matrix
Matrix4f projectionMatrix = transformation.getProjectionMatrix(FOV, window.getWidth(), window.getHeight(), Z_NEAR, Z_FAR);
shaderProgram.setUniform("projectionMatrix", projectionMatrix);
// Update view Matrix
Matrix4f viewMatrix = transformation.getViewMatrix(camera);
shaderProgram.setUniform("texture_sampler", 0);
// Render each gameItem
for(GameItem gameItem : gameItems) {
// Set model view matrix for this item
Matrix4f modelViewMatrix = transformation.getModelViewMatrix(gameItem, viewMatrix);
shaderProgram.setUniform("modelViewMatrix", modelViewMatrix);
// Render the mes for this game item
gameItem.getMesh().render();
}
```
就是这样对于基本代码支持摄像机的概念。现在我们需要用它。这样可以改变输入处理和更新相机的方式。我们将设置以下控件:
* 键“A”和“D”到移动摄像机的左边和右边\(x axis\)。
* 键“W”和“S”到移动摄像机的前面和后面\(z axis\)。
* 键“Z”和“X”到移动摄像机的上面和下面的\(y axis\)。
当鼠标按下右键时我们可以使用鼠标位置沿X和Y轴旋转摄像机。
正如你所看到的,我们将首次使用鼠标。我们将创建一个名为`MouseInput`的新类,该类将封装鼠标访问的代码。
```java
package org.lwjglb.engine;
import org.joml.Vector2d;
import org.joml.Vector2f;
import static org.lwjgl.glfw.GLFW.*;
public class MouseInput {
private final Vector2d previousPos;
private final Vector2d currentPos;
private final Vector2f displVec;
private boolean inWindow = false;
private boolean leftButtonPressed = false;
private boolean rightButtonPressed = false;
public MouseInput() {
previousPos = new Vector2d(-1, -1);
currentPos = new Vector2d(0, 0);
displVec = new Vector2f();
}
public void init(Window window) {
glfwSetCursorPosCallback(window.getWindowHandle(), (windowHandle, xpos, ypos) -> {
currentPos.x = xpos;
currentPos.y = ypos;
});
glfwSetCursorEnterCallback(window.getWindowHandle(), (windowHandle, entered) -> {
inWindow = entered;
});
glfwSetMouseButtonCallback(window.getWindowHandle(), (windowHandle, button, action, mode) -> {
leftButtonPressed = button == GLFW_MOUSE_BUTTON_1 && action == GLFW_PRESS;
rightButtonPressed = button == GLFW_MOUSE_BUTTON_2 && action == GLFW_PRESS;
});
}
public Vector2f getDisplVec() {
return displVec;
}
public void input(Window window) {
displVec.x = 0;
displVec.y = 0;
if (previousPos.x > 0 && previousPos.y > 0 && inWindow) {
double deltax = currentPos.x - previousPos.x;
double deltay = currentPos.y - previousPos.y;
boolean rotateX = deltax != 0;
boolean rotateY = deltay != 0;
if (rotateX) {
displVec.y = (float) deltax;
}
if (rotateY) {
displVec.x = (float) deltay;
}
}
previousPos.x = currentPos.x;
previousPos.y = currentPos.y;
}
public boolean isLeftButtonPressed() {
return leftButtonPressed;
}
public boolean isRightButtonPressed() {
return rightButtonPressed;
}
}
```
`MouseInput`类提供了一个初始化过程中应该调用的`init`方法,并注册一组回调来处理鼠标事件:
* `glfwSetCursorPosCallback`:注册一个监听器,该监听器将在鼠标移动时调用。
* `glfwSetCursorEnterCallback`:注册一个监听器,该监听器将在鼠标进入我们的窗口时调用。即使鼠标不在我们的窗口,我们也会收到鼠标事件。当鼠标在我们的窗口中时,我们使用这个监听器来进行跟踪。
* `glfwSetMouseButtonCallback`:注册监听器在按下鼠标按钮时将调用。
`MouseInput`类提供了一种输入方法,在处理游戏输入时应该调用该方法。该方法计算鼠标从先前位置的位移,并将其存储到 `Vector2f` `displVec`变量中,以便它可以被我们的游戏使用。
`MouseInput`类将被实例化在我们的`GameEngine`类中,并且将作为游戏实现的`init``update`方法中的参数传递(因此我们需要相应地更改接口)。
```java
void input(Window window, MouseInput mouseInput);
void update(float interval, MouseInput mouseInput);
```
鼠标输入将在`GameEngine`类的输入方法并传送控制到游戏执行前被处理。
```java
protected void input() {
mouseInput.input(window);
gameLogic.input(window, mouseInput);
}
```
现在,已经准备好更新我们的`DummyGame`类处理键盘和鼠标输入。 该类的输入方法将如下所示:
```java
@Override
public void input(Window window, MouseInput mouseInput) {
cameraInc.set(0, 0, 0);
if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_W)) {
cameraInc.z = -1;
} else if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_S)) {
cameraInc.z = 1;
}
if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_A)) {
cameraInc.x = -1;
} else if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_D)) {
cameraInc.x = 1;
}
if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_Z)) {
cameraInc.y = -1;
} else if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_X)) {
cameraInc.y = 1;
}
}
```
现在,已经准备好更新我们的`DummyGame`类处理键盘和鼠标输入。 该类的输入方法将如下所示:
```java
@Override
public void update(float interval, MouseInput mouseInput) {
// Update camera position
camera.movePosition(cameraInc.x * CAMERA_POS_STEP,
cameraInc.y * CAMERA_POS_STEP,
cameraInc.z * CAMERA_POS_STEP);
// Update camera based on mouse
if (mouseInput.isRightButtonPressed()) {
Vector2f rotVec = mouseInput.getDisplVec();
camera.moveRotation(rotVec.x * MOUSE_SENSITIVITY, rotVec.y * MOUSE_SENSITIVITY, 0);
}
}
```
现在我们可以为我们的世界添加更多的立方体,将它们放置在特定位置并使用我们的新相机进行播放。 正如你可以看到所有的立方体共享相同的网格。
```java
GameItem gameItem1 = new GameItem(mesh);
gameItem1.setScale(0.5f);
gameItem1.setPosition(0, 0, -2);
GameItem gameItem2 = new GameItem(mesh);
gameItem2.setScale(0.5f);
gameItem2.setPosition(0.5f, 0.5f, -2);
GameItem gameItem3 = new GameItem(mesh);
gameItem3.setScale(0.5f);
gameItem3.setPosition(0, 0, -2.5f);
GameItem gameItem4 = new GameItem(mesh);
gameItem4.setScale(0.5f);
gameItem4.setPosition(0.5f, 0, -2.5f);
gameItems = new GameItem[]{gameItem1, gameItem2, gameItem3, gameItem4};
```
你会得到这样的东西。
![方块](_static/08/cubes.png)

146
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@@ -0,0 +1,146 @@
#HUD 重温 - NanoVG
在之前的章节中,解释了如何使用正交投影在场景的顶部渲染形状和纹理。 在本章中,我们将学习如何使用 [NanoVG](https://github.com/memononen/nanovg) 库来渲染反锯齿矢量图形以简单的方式构建更复杂的HUD。
还有很多其他库可用于支持此任务,例如[Nifty GUI](https://github.com/nifty-gui/nifty-gui)[Nuklear](https://github.com/vurtun/nuklear)等。在本章中将重点介绍Nanovg因为它非常易于使用但如果您想制作菜单和窗口开发出复杂的GUI按钮交互您应该查看[Nifty GUI](https://github.com/nifty-gui/nifty-gui)。
开始使用[NanoVG](https://github.com/memononen/nanovg) 的第一步是在`pom.xml`文件中添加依赖关系\(一个用于编译时需要的依赖项,另一个用于编译时需要的依赖项 为运行时所需的本机\)。
```xml
...
<dependency>
<groupId>org.lwjgl</groupId>
<artifactId>lwjgl-nanovg</artifactId>
<version>${lwjgl.version}</version>
</dependency>
...
<dependency>
<groupId>org.lwjgl</groupId>
<artifactId>lwjgl-nanovg</artifactId>
<version>${lwjgl.version}</version>
<classifier>${native.target}</classifier>
<scope>runtime</scope>
</dependency>
```
在我们开始使用[NanoVG](https://github.com/memononen/nanovg)之前我们必须在OpenGL里面设置一些东西这样代码测试样本才能正常工作。 我们需要启用对模板缓冲区测试的支持。 到现在为止,已经讨论了颜色和深度缓冲区,但是我们没有提到模板缓冲区。 该缓冲区为每个像素存储一个值\(an integer\)\(整数值\),该像素用于控制应该绘制哪些像素。 该缓冲区用于根据其存储的值屏蔽或丢弃绘图区域。 例如,它可以用于以简单的方式剪切场景的某些部分。 我们通过将这一行添加到`Window`类\(after we enable depth testing\)\(在启用深度测试后\)来启用模板缓冲区测试:
```java
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
```
由于程序正在使用另一个缓冲区,因此我们在每次渲染调用之前还必须注意删除其值。 因此,需要修改`Renderer`类的clear方法
```java
public void clear() {
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
}
```
我们还将添加一个用于激活抗锯齿的新窗口选项。 因此在Window类中将通过以下方式启用它
```java
if (opts.antialiasing) {
glfwWindowHint(GLFW_SAMPLES, 4);
}
```
现在我们准备使用[NanoVG](https://github.com/memononen/nanovg)库。 我们要做的第一件事就是丢弃已经创建的HUD作品那就是`IHud`接口的着色器,`Renderer`类中的HUD渲染方法等。你可以在源代码中找到这一点。
在这种情况下,新的`Hud`类会照顾它的渲染,所以我们不需要将它委托给`Renderer`类。 让我们通过定义该类来开始讨论,它将有一个`init`方法来设置构建HUD所需的库和资源。 该方法是这样定义的:
```java
public void init(Window window) throws Exception {
this.vg = window.getOptions().antialiasing ? nvgCreate(NVG_ANTIALIAS | NVG_STENCIL_STROKES) : nvgCreate(NVG_STENCIL_STROKES);
if (this.vg == NULL) {
throw new Exception("Could not init nanovg");
}
fontBuffer = Utils.ioResourceToByteBuffer("/fonts/OpenSans-Bold.ttf", 150 * 1024);
int font = nvgCreateFontMem(vg, FONT_NAME, fontBuffer, 0);
if (font == -1) {
throw new Exception("Could not add font");
}
colour = NVGColor.create();
posx = MemoryUtil.memAllocDouble(1);
posy = MemoryUtil.memAllocDouble(1);
counter = 0;
}
```
我们要做的第一件事就是创建一个NanoVG环境。 在这种情况下我们使用的是OpenGL3.0 后端,因为引用了`org.lwjgl.nanovg.NanoVGGL3`来命名空间。 如果要激活抗锯齿功能先得激活`NVG_ANTIALIAS`标志。
接下来,我们使用先前加载到 `ByteBuffer` 中的True Type(全真字体)来创建。 给它分配一个名称,以便稍后在呈现文本时使用它。 其中一个重要的事情是,在使用字体时,用于加载字体的`ByteBuffer`必须保存在内存中。 也就是说,它不能被垃圾收集,除非你有一个很好的核心转储它。 这就是为什么它作为类属性存储的原因。
然后,我们创建一个颜色实例和一些有用的变量,这些变量将在渲染时使用。 在渲染初始化之前,该方法在游戏`init`方法中被调用:
```java
@Override
public void init(Window window) throws Exception {
hud.init(window);
renderer.init(window);
...
```
`Hud`类还定义了一个渲染方法在场景渲染完成之后应该调用这个渲染方法这样HUD也会同时被绘制。
```java
@Override
public void render(Window window) {
renderer.render(window, camera, scene);
hud.render(window);
}
```
Hud类的`render`方法是从这里开始的:
```java
public void render(Window window) {
nvgBeginFrame(vg, window.getWidth(), window.getHeight(), 1);
```
我们必须做的第一件事就是调用`nvgBeginFrame`方法。 ```nvgBeginFrame`` method. 所有的NanoVG渲染操作都必须包含在两个之中```nvgBeginFrame``nvgEndFrame`.\`\`\`根据以下参数:
* NanoVG的文本
* 要渲染的窗口的大小 \(宽度和高度\).\(width an height\).
* 像素比例。 如果您需要Hi-DPI的支持则可以更改这个值。 对于这个示例我们将它设置为1。
然后我们创建几个条子,它会占据整个屏幕。 第一个是这样画的:
```java
// Upper ribbon
nvgBeginPath(vg);
nvgRect(vg, 0, window.getHeight() - 100, window.getWidth(), 50);
nvgFillColor(vg, rgba(0x23, 0xa1, 0xf1, 200, colour));
nvgFill(vg);
```
渲染一个形状时,第一个应该调用的方法是`nvgBeginPath`它指示NanoVG开始绘制一个新的形状。 然后我们定义要绘制的内容,矩形,填充颜色以及调用我们绘制的`nvgFill`
您可以查看源代码的其余部分,以查看其余形状的绘制方式。 在渲染字体之前,不需要调用 nvgBeginPath。
在完成绘制所有形状之后,我们只需调用`nvgEndFrame`来结束渲染,但在离开该方法之前还有一件重要的事情要做。 我们必须恢复OpenGL状态。 NanoVG修改OpenGL状态以执行其操作如果状态未正确恢复您可能会看到场景未正确呈现或者甚至已被消除。 因此我们需要恢复我们渲染所需的相关OpenGL状态。 这是在`Window`类中委托的:
```java
// Restore state
window.restoreState();
```
该方法是这样定义的:
```java
public void restoreState() {
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
if (opts.cullFace) {
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
}
}
```
这就是所有的\(除了一些其他的方法来清除\)\(besides some additional methods to clear things up\),代码完成。 当你执行这个样本时,你会得到如下的结果:
![HUD](_static/24/hud.png)

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