[OpenGL](翻译+补充)投影矩阵的推导

基本是翻译和补充

计算机显示器是一个2D的平面,一个3D的场景要被OpenGL渲染必须被投影到2D平面上以生成2D的图像。在OpenGL中,GL_PROJECTION矩阵可以用来进行投影变换。首先,它将所有的顶点数据从相机坐标系(eye coordinates)转换到裁剪坐标系(clip coordinates),然后通过除以裁剪空间坐标的w值,将裁剪空间坐标系转换到归一化设备坐标系(normalized device coordinates,NDC)

我们需要注意的一点就是,裁剪和NDC变换都通过GL_PROJECTION矩阵来完成。之后的文章,将会利用6个参数来构建投影矩阵,这六个参数是:left,right,bottom,top,near,far,分别为近裁剪面的左右下上边界,近裁剪面,远裁剪面。

视锥体剔除是在裁剪坐标下进行的,在转换到NDC坐标系之前。已经变换到裁剪坐标系的坐标\(x_c,y_c,z_c\)会和\(w_c\)进行比较,如果裁剪坐标大于\(w_c\)或小于\(-w_c\),则顶点会被剔除,OpenGL会重建多边形的边。
ps.解释一下为什么要和\(w_c\)进行比较。因为NDC坐标的范围是\([-1,1]\),而裁剪坐标和NDC坐标之间的关系是\(x_c/w_c = x_n\),所以\(x_c\)必须得在\([-w_c,w_c]\)之间才可见,其他两个轴同理。不是在NDC坐标阶段进行裁剪,是因为不可见的顶点,没有必要在对其进行运算,会消耗资源。在作用完投影矩阵后,得到的是齐次坐标,OpenGL会自动除以\(w_c\),以得到笛卡尔坐标,OpenGL应该是在除以\(w_c\)之前进行视锥体剔除工作。

[OpenGL](翻译+补充)投影矩阵的推导

2.透视投影

在透视投影中,1个3D的点在一个像被切了一刀的金字塔的视锥体中,此时的坐标系是相机坐标系,这个坐标系会被映射正方体的NDC坐标系中。

\(x:[l,r]->[-1,1]\)

\(y:[b,t]->[-1,1]\)

\(z:[-n,-f]->[-1,1]\)

相机坐标系定义在右手坐标系,NDC是左手坐标系,所以相机朝着-Z的方向看去,而NDC朝着+Z的方向看去。因为glFrustum()裁剪面的参数必须为正数,所以在创建投影矩阵的时候,我们要对其进行去取反。
ps.glFrustum是opengl类库中的函数,它是将当前矩阵与一个透视矩阵相乘,把当前矩阵转变成透视矩阵,在使用它之前,通常会先调用glMatrixMode(GL_PROJECTION).
void glFrustum(GLdouble left, GLdouble right, GLdouble bottom, GLdouble top, GLdouble nearVal, GLdouble farVal),left,right指明相对于垂直平面的左右坐标位置,bottom,top指明相对于水平剪切面的下上位置,nearVal,farVal指明相对于深度剪切面的远近的距离,两个必须为正数。

[OpenGL](翻译+补充)投影矩阵的推导

在OpenGL中,1个3D的点将会被投影到近裁剪平面上,下图展示了点\((x_e,y_e,z_e)\)如何投影到\((x_p,y_p,z_p)\)

[OpenGL](翻译+补充)投影矩阵的推导

[OpenGL](翻译+补充)投影矩阵的推导

在视锥体的顶视图,我们可以利用相似三角形计算\(x_p\)的值

\[\frac{x_p}{x_e} = \frac{-n}{z_e}\\ x_p = \frac{-nx_e}{z_e}=\frac{nx_e}{-z_e} \]

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