二、OpenGL坐标系

Posted 2023-04-24

参考技术A

坐标是由x、y决定的。

坐标是由x、y、z决定的。

glViewport(GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei height)

窗口和视口大小可以相同，也可以不同，一般情况跟窗口等比。

正投影是指平行投射线垂直于投影面。

透视投影属于中心投影。

透视投影图简称为透视图或透视，它是从某个投射中心将物体投射到单一投影面上所得到的图形。透视图与人们观看物体时所产生的视觉效果非常接近。透视图以渲染、配景，使之成为形象逼真的效果图。

OpenGL ES 坐标系统包括 视窗坐标 、 规格化设备坐标 、 裁剪坐标 和 视觉坐标 、 世界坐标 、 对象坐标 ，如下图的洋葱一样成一个多层系统。

在 世界 、 物体 、 照相机 空间是 右手坐标系 。
在 规范化设备坐标系 用的是 左手坐标系 。

视窗坐标也就是我们手机窗口对应的坐标系统，以左上角为原点，右下角对应我们手机的最大像素值的集合，如下图是一个像素为320*480的手机，那他右下角的坐标就是(320,480)。

规格化设备坐标是以屏幕中心为原点，X轴朝右，Y轴朝上，所以左下角的坐标为(-1, -1)，右上角的坐标为(1,1)。当然这是z轴为0时的显示，实际上我们的规格化设备坐标系统是要考虑z轴，所以由平面要转换成一个正方体，原点坐标为(0,0,0)，也就是这个立方体的中心，而它左上角离我们最近的那个顶点的坐标就是(1,1,1)，右下角离我们最远的那个顶点的坐标就是(-1,-1,-1)。

裁剪坐标是执行 矩阵变换 和 透视投影 之后，但在执行透视除法之前的坐标。超出裁剪空间的坐标会被丢弃。

视觉坐标系是从我们的眼睛出发朝我们的手机设备看过去所能看到的，会有一个z轴的最近距离和最远距离，也就是 zNear 和 zFar ，只有在这两者之间并且也满足x轴和Y轴坐标在屏幕当中的坐标才会显示出来，越远的东西会显示得越小，产生透视的效果。

世界坐标就是一个用户构造的固定的坐标系，方便描述这个坐标系下各种物体相对于原点的位置。

每个物体都有自己独立的坐标系。当物体旋转和移动的时候，这个坐标系也会发生相应的变化。

惯性坐标系是指世界坐标系和物体坐标系转换的中间产物。惯性坐标系的原点和物体坐标系的原点重合，但惯性坐标系的轴和世界坐标系的轴平行。

为什么要引入惯性坐标系？ 因为物体坐标系转换到惯性坐标系只需要旋转，从惯性坐标系转换到世界坐标系只需要平移。

OpenGL 最终渲染到屏幕上是2D的，所以我们需要将3D坐标进行一系列的变换为2D坐标，整个过程如下图所示。

OpenGL 中只定义了裁剪坐标系、规范化设备坐标系和屏幕坐标系。而局部坐标系(模型坐标系)、世界坐标系和相机坐标系都是为了方便用户设计而自定义的坐标系，他们的关系如下图所示。

开发中，从局部坐标系(模型坐标系)到裁剪坐标系的转变是通过矩阵运算得到的。这三个矩阵就是 MVP矩阵：模型矩阵(M)、观察矩阵(V)和投影矩阵(P) 。

在顶点着色器中完成计算后，计算结果会交给 gl_Position ， OpenGL 将会自动计算透视除法和裁剪。

模型变换的目的是通过变换，使得用顶点定义或3D模型软件构造的模型，能够按照需要，通过缩小、平移、旋转等操作放置到场景中合适的位置。

通过模型变换后，物体的位置在全局的世界坐标系下，世界坐标系是所有物体交互的一个公共坐标系。

视变换是为了方便观察场景中的物体、方便计算而设立的坐标系。相机坐标系中的坐标，是从相机的角度来解释世界坐标系中的位置。

OpenGL工作流程

　　在OpenGL中，一切事物都在3D空间中，但我们的屏幕坐标确实2D像素数组，OpenGL大部分工作就是把3D坐标转换成适应屏幕的2D像素。3D坐标转换成2D屏幕坐标的过程是有OpenGL的图形渲染管线管理的。图形渲染管线的工作可以被划分为两个主要的部分：

　　一、把3D坐标转换成2D坐标。

　　二、把2D坐标转换成实际有颜色的像素。

　　注意：2D坐标和像素是不同的，2D坐标精确的描述了一个点在2D空间中的位置，二2D像素是这个点的近似值，2D像素收到你的屏幕/窗口分辨率的限制

　　

　　图形渲染管线包含很多部分。首先，我们以数组形式传递3D个3D坐标作为图形渲染管线的输入，用来表示三角形，这个数组叫做定点数据(Vertex Data)；定点数据是一系列定点的集合。一个顶点(Vertex)是一个3D坐标的集合。为了简单起见，我们假定每个顶点只由一个3D位置和一些颜色值构成。

　　注意：OpenGL不知道我们传入的顶点位置和颜色值到底需要构成什么，这个时候就需要我们去指定这些数据去表示渲染类型。做出的这些提示叫做图元(Primitive)，我们可以指定一下三种：GL_POINTS、GL_TRIANGLES、GL_LINE_STRIP。

　　图形渲染管线的第一个部分是顶点着色器，它把单独的顶点作为输入，顶点着色器的主要目的是吧3D坐标转换成另外一种3D坐标。同时顶点着色器允许我们队顶点属性进行一些基本处理。

　　图元装配阶段是将顶点着色器输出的顶点作为一个输入，（如果是GL_POINTS，那么就是一个顶点），并把所有的点装配成指定图元的形状。

　　图元装配阶段的输出会传递给几何着色器。集合着色器吧图元形式的一系列定点作为集合的输入，它可以通过产生新的顶点构造出新的（或者其他的）图元来生成其他的形状。

　　几何着色器的输出会被传入光栅化阶段，它会把图元转换成最终屏幕上相应的像素。生成供片段作色器使用的片段。在片段着色器运行之前会执行裁剪，裁剪会丢弃在视线范围外的所有像素，以提供执行效率。

　　片段着色器的主要目的是计算一个像素的最终颜色。在颜色确定以后，最终会被传入到一个最后的阶段 ，Alpha测试和混合测试阶段。