# 镜头（Camera） 在这个章节我们将学到如何渲染3D场景的画面，这个能力就像一个镜头可以在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寻找中这些特定的镜头功能，你会发现这根本不是镜头，换句话说镜头一直是固定住的，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镜头可以在三维度空间中移动的镜头。但是如何做到呢？但是镜头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，如果移动不了镜头我们得移动整个世界。 因此，假设我们沿着Z轴移动镜头从\(Cx, Cy, Cz\)到\(Cx, Cy, Cz+dz\)，从而靠近在\(Ox, Oy, Oz\)放置的目标 ![镜头的运动](_static/08/camera_movement.png) 我们将要做的是如何精确的移动镜头移动到相反的方向\(在我们的3D空间中的所有物体\)。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) 镜头可以沿着三个轴\(x, y and z\)，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，把他变化所有在镜头运动方向上相反的顶点，从而根据镜头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。如果镜头移动，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`和`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？因为要记住整个镜头的概念就是戏法，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。如果在所谓的镜头空间中工作利用点的性质，虽然远离世界的中心点，但也靠近镜头。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镜头。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，我们不会沿着镜头位置旋转，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，我们不会沿着镜头位置旋转，而是沿着坐标原点旋转。请注意，在“镜头”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镜头\(例如，如果我们沿着X轴旋转，当我们向前移动时，镜头不会在空中向上或向下移动\)。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\(记住`Matrix4f`类不是不可变的\). 在`Renderer`类的`render`方法中，在投影矩阵更新之后，我们只需要根据镜头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镜头的概念。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”到移动镜头的左边和右边\(x axis\)。 * 键“W”和“S”到移动镜头的前面和后面\(z axis\)。 * 键“Z”和“X”到移动镜头的上面和下面的\(y axis\)。 当鼠标按下右键时，我们可以使用鼠标位置沿X和Y轴旋转镜头。 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`和`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)