GLSL 和 GLM 之间的矩阵数学不一致，或者是不是存在“坏”视图矩阵之类的东西

Posted 2023-02-22

【中文标题】GLSL 和 GLM 之间的矩阵数学不一致，或者是不是存在“坏”视图矩阵之类的东西

【英文标题】：inconsistencies with matrix maths between GLSL and GLM, or is there such thing as a "bad" view matrixGLSL 和 GLM 之间的矩阵数学不一致，或者是否存在“坏”视图矩阵之类的东西

【发布时间】：2015-04-11 10:35:29

【问题描述】：

所以，我在 GLSL 和 GLM 之间遇到了一些奇怪的问题。

如果我生成以下视图矩阵（C++）：

vec3 pos(4, 1, 1);
vec3 dir(1, 0, 0);
mat4 viewMat = glm::lookAt(pos, pos+dir, vec3(0,0,1));

然后，在 glsl 中，执行：

fragColour.rgb = vec3(inverse(viewMat) * vec4(0,0,0,1)) / 4.f;

然后我希望屏幕变成粉红色，或 (1.0,0.25,0.25)。相反，我变黑了。

但是，如果我在 GLM 中这样做：

vec3 colour = vec3(glm::inverse(viewMat) * vec4(0,0,0,1)) / 4.f;
cout << glm::to_string(colour) << endl;

我得到了 (1.0,0.25,0.25) 的预期结果。

现在，如果我将 viewMat 改为 (C++)：

vec3 pos(4, 1, 1);
vec3 dir(1, 0.000001, 0);
mat4 viewMat = glm::lookAt(pos, pos+dir, vec3(0,0,1));

然后砰！我在 GLSL 和 GLM 中都得到 (1.0,0.25,0.25)。

这对我来说毫无意义。为什么这样做？这个视图矩阵在 GLSL 中的其他任何地方都可以正常工作——我只是无法反转它。每当 dirY == 0.f. 时就会发生这种情况。

另外，请对问题标题提出改进建议，我不确定应该是什么。

编辑：另外，它似乎与lookAt 的向上向量（无论如何我设置为Z）没有任何关系。即使我设置为（0,1,0），也会发生同样的事情。一切都转向一边，但我仍然无法反转 GLSL 中的视图矩阵。

编辑：好的，所以在 derhass 的建议下，我已经尝试发送倒置的视图矩阵。巴姆，完美的工作。因此，似乎我的 GL 实现确实无法反转该矩阵。这很容易成为我遇到过的最奇怪的 GL 错误。不过，对于为什么在着色器中反转矩阵是一个坏主意的某种解释，我们将不胜感激。 EditAgain：在我的引擎中发送反转矩阵导致了巨大的帧率提升。一定要这样做。

【问题讨论】：

好吧，据我所知，这个问题对 glm 完全没有影响。看起来这只是 GLSL 中的反转问题。他们设置你的矩阵的方式，它应该是完全可逆的，并且数字问题不应该是一个问题。这可能只是您的 GL 实现的问题。另请注意，在大多数情况下，在着色器中反转矩阵是一个坏主意，但它当然应该工作。如果可能，我建议使用其他一些 GL 实现对此进行测试。

@derhass Ahhh，我没有考虑过发送已经反转的矩阵。我会试试的。我也会尝试看看问题是否也发生在其他地方。我目前正在使用一个相当旧的 nvidia 驱动程序（Ubuntu 14.04 的存储库中的那个）。

这是我第一次了解到 GLSL 现在有一个反函数。这绝对不是对 GPU 友好的操作。始终注意操作的层次结构：每个绘制、每个顶点、每个片段。始终将物品移到尽可能低的位置。通过对每个顶点进行逆运算，您只是遇到了一个非常不可能的代码路径。另请注意，通常不需要通用逆。大多数模型视图矩阵应该是“正交的”。其中逆向与转置相同。

嘿...可能不是说我是按片段做的好时机：P

【参考方案1】：

任意 4x4 矩阵求逆不是一项快速且安全的任务

由于许多原因，例如 GPU 端的 FPU 精度较低以及在求逆过程中需要许多除法（这取决于计算方法），并且并非所有矩阵都有逆矩阵等（我认为这也是 GL 具有也没有这样的实现）...有关此方面的更好图像，请参阅Understanding 4x4 homogenous transform matrices 并查找matrix_inv 函数，那里的计算实际上有多复杂（它使用行列式）。还有 GEM（高斯消除法），但由于其怪癖和需要对行进行排序而没有使用...

如果矩阵在每帧渲染中都是静态的，通常情况下，在每个顶点/片段中一次又一次地在顶点/片段/几何着色器中计算它是浪费 GPU 能力（这就是速度提升存在的原因） .

有人可能会反对orthogonal homogenous matrix inversion 只是转置矩阵，但是 GL/GLSL 如何知道它处理这样的矩阵（检查也不是那么简单）在这种情况下你可以使用transpose在 GLSL 中实现并且应该很快（它只是重新排序元素）

【讨论】：

我希望这就是答案。矩阵求逆通常会导致数值不稳定，如果可以的话，我几乎总是会避免矩阵求逆。

@DietrichEpp 我也是，但在图形中，尤其是相机效果，它不能那么容易地避免:(

这是一个常见的误解，通常很容易避免。您可以生成法线矩阵并进行反向投影等，而无需计算一般矩阵的逆矩阵。