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# 镜头（Camera）
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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镜头可以沿着三个轴\(x, y and z\)，也可以沿着他们旋转\(滚动, 俯视和偏斜"yaw"\).
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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。
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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:
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$$Transf = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack TranslationMatrix \rbrack \cdot \lbrack RotationMatrix \rbrack \cdot \lbrack ScaleMatrix \rbrack = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack WorldMatrix \rbrack$$
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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：
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$$Transf = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack ViewMatrix \rbrack \cdot \lbrack TranslationMatrix \rbrack \cdot \lbrack RotationMatrix \rbrack \cdot \lbrack ScaleMatrix \rbrack = \lbrack ProjMatrix \rbrack \cdot \lbrack ViewMatrix \rbrack \cdot \lbrack WorldMatrix \rbrack $$
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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。
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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。
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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。
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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。
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```java
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package org.lwjglb.engine.graph;
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import org.joml.Vector3f;
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public class Camera {
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private final Vector3f position;
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private final Vector3f rotation;
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public Camera() {
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position = new Vector3f(0, 0, 0);
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rotation = new Vector3f(0, 0, 0);
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}
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public Camera(Vector3f position, Vector3f rotation) {
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this.position = position;
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this.rotation = rotation;
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}
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public Vector3f getPosition() {
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return position;
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}
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public void setPosition(float x, float y, float z) {
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position.x = x;
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position.y = y;
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position.z = z;
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}
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public void movePosition(float offsetX, float offsetY, float offsetZ) {
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if ( offsetZ != 0 ) {
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position.x += (float)Math.sin(Math.toRadians(rotation.y)) * -1.0f * offsetZ;
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position.z += (float)Math.cos(Math.toRadians(rotation.y)) * offsetZ;
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}
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if ( offsetX != 0) {
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position.x += (float)Math.sin(Math.toRadians(rotation.y - 90)) * -1.0f * offsetX;
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||
position.z += (float)Math.cos(Math.toRadians(rotation.y - 90)) * offsetX;
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}
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position.y += offsetY;
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}
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public Vector3f getRotation() {
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return rotation;
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}
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public void setRotation(float x, float y, float z) {
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rotation.x = x;
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rotation.y = y;
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rotation.z = z;
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}
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public void moveRotation(float offsetX, float offsetY, float offsetZ) {
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rotation.x += offsetX;
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rotation.y += offsetY;
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rotation.z += offsetZ;
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}
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}
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```
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下一步 `Transformation` 到类中，将用一个新矩阵来保存视图矩阵的数值。
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```java
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private final Matrix4f viewMatrix;
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```
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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。
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```java
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public Matrix4f getViewMatrix(Camera camera) {
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Vector3f cameraPos = camera.getPosition();
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Vector3f rotation = camera.getRotation();
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viewMatrix.identity();
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// First do the rotation so camera rotates over its position
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viewMatrix.rotate((float)Math.toRadians(rotation.x), new Vector3f(1, 0, 0))
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.rotate((float)Math.toRadians(rotation.y), new Vector3f(0, 1, 0));
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// Then do the translation
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viewMatrix.translate(-cameraPos.x, -cameraPos.y, -cameraPos.z);
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return viewMatrix;
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}
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```
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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。
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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。
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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。
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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。
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```java
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public Matrix4f getModelViewMatrix(GameItem gameItem, Matrix4f viewMatrix) {
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Vector3f rotation = gameItem.getRotation();
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modelViewMatrix.identity().translate(gameItem.getPosition()).
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rotateX((float)Math.toRadians(-rotation.x)).
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rotateY((float)Math.toRadians(-rotation.y)).
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rotateZ((float)Math.toRadians(-rotation.z)).
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scale(gameItem.getScale());
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Matrix4f viewCurr = new Matrix4f(viewMatrix);
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return viewCurr.mul(modelViewMatrix);
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}
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```
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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\(记住`Matrix4f`类不是不可变的\).
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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，。
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```java
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// Update projection Matrix
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Matrix4f projectionMatrix = transformation.getProjectionMatrix(FOV, window.getWidth(), window.getHeight(), Z_NEAR, Z_FAR);
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shaderProgram.setUniform("projectionMatrix", projectionMatrix);
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// Update view Matrix
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Matrix4f viewMatrix = transformation.getViewMatrix(camera);
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shaderProgram.setUniform("texture_sampler", 0);
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// Render each gameItem
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for(GameItem gameItem : gameItems) {
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// Set model view matrix for this item
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Matrix4f modelViewMatrix = transformation.getModelViewMatrix(gameItem, viewMatrix);
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shaderProgram.setUniform("modelViewMatrix", modelViewMatrix);
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// Render the mes for this game item
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gameItem.getMesh().render();
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}
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```
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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：
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* 键“A”和“D”到移动镜头的左边和右边\(x axis\)。
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* 键“W”和“S”到移动镜头的前面和后面\(z axis\)。
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* 键“Z”和“X”到移动镜头的上面和下面的\(y axis\)。
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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。
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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。
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```java
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package org.lwjglb.engine;
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import org.joml.Vector2d;
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import org.joml.Vector2f;
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import static org.lwjgl.glfw.GLFW.*;
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public class MouseInput {
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private final Vector2d previousPos;
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private final Vector2d currentPos;
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private final Vector2f displVec;
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private boolean inWindow = false;
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private boolean leftButtonPressed = false;
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private boolean rightButtonPressed = false;
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public MouseInput() {
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previousPos = new Vector2d(-1, -1);
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currentPos = new Vector2d(0, 0);
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displVec = new Vector2f();
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}
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public void init(Window window) {
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glfwSetCursorPosCallback(window.getWindowHandle(), (windowHandle, xpos, ypos) -> {
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currentPos.x = xpos;
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currentPos.y = ypos;
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});
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glfwSetCursorEnterCallback(window.getWindowHandle(), (windowHandle, entered) -> {
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inWindow = entered;
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});
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glfwSetMouseButtonCallback(window.getWindowHandle(), (windowHandle, button, action, mode) -> {
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leftButtonPressed = button == GLFW_MOUSE_BUTTON_1 && action == GLFW_PRESS;
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rightButtonPressed = button == GLFW_MOUSE_BUTTON_2 && action == GLFW_PRESS;
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});
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}
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public Vector2f getDisplVec() {
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return displVec;
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}
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public void input(Window window) {
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displVec.x = 0;
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displVec.y = 0;
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if (previousPos.x > 0 && previousPos.y > 0 && inWindow) {
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double deltax = currentPos.x - previousPos.x;
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double deltay = currentPos.y - previousPos.y;
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boolean rotateX = deltax != 0;
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boolean rotateY = deltay != 0;
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if (rotateX) {
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displVec.y = (float) deltax;
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}
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if (rotateY) {
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displVec.x = (float) deltay;
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}
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}
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previousPos.x = currentPos.x;
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previousPos.y = currentPos.y;
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}
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public boolean isLeftButtonPressed() {
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return leftButtonPressed;
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}
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public boolean isRightButtonPressed() {
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return rightButtonPressed;
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}
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}
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```
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`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：
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* `glfwSetCursorPosCallback`：注册一个监听器，该监听器将在鼠标移动时调用。
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* `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。
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* `glfwSetMouseButtonCallback`：注册监听器在按下鼠标按钮时将调用。
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`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。
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`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）。
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```java
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void input(Window window, MouseInput mouseInput);
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void update(float interval, MouseInput mouseInput);
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```
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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。
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```java
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protected void input() {
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mouseInput.input(window);
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gameLogic.input(window, mouseInput);
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}
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```
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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：
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```java
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@Override
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public void input(Window window, MouseInput mouseInput) {
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cameraInc.set(0, 0, 0);
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if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_W)) {
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cameraInc.z = -1;
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} else if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_S)) {
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cameraInc.z = 1;
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}
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if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_A)) {
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||
cameraInc.x = -1;
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} else if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_D)) {
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||
cameraInc.x = 1;
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||
}
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if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_Z)) {
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||
cameraInc.y = -1;
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} else if (window.isKeyPressed(GLFW_KEY_X)) {
|
||
cameraInc.y = 1;
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||
}
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}
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```
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||
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：
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```java
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@Override
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public void update(float interval, MouseInput mouseInput) {
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||
// Update camera position
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camera.movePosition(cameraInc.x * CAMERA_POS_STEP,
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cameraInc.y * CAMERA_POS_STEP,
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cameraInc.z * CAMERA_POS_STEP);
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// Update camera based on mouse
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if (mouseInput.isRightButtonPressed()) {
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Vector2f rotVec = mouseInput.getDisplVec();
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camera.moveRotation(rotVec.x * MOUSE_SENSITIVITY, rotVec.y * MOUSE_SENSITIVITY, 0);
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}
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}
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```
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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。
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```java
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GameItem gameItem1 = new GameItem(mesh);
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gameItem1.setScale(0.5f);
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gameItem1.setPosition(0, 0, -2);
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GameItem gameItem2 = new GameItem(mesh);
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||
gameItem2.setScale(0.5f);
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||
gameItem2.setPosition(0.5f, 0.5f, -2);
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||
GameItem gameItem3 = new GameItem(mesh);
|
||
gameItem3.setScale(0.5f);
|
||
gameItem3.setPosition(0, 0, -2.5f);
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||
GameItem gameItem4 = new GameItem(mesh);
|
||
gameItem4.setScale(0.5f);
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||
gameItem4.setPosition(0.5f, 0, -2.5f);
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||
gameItems = new GameItem[]{gameItem1, gameItem2, gameItem3, gameItem4};
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```
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你会得到这样的东西。
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