Libgdx专题系列：镜头篇源码分析 Camera

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本系列文章使用的Libgdx版本均为0.99版本

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在Opengl中，有许多矩阵变换，可以分为视角（Viewing），模型（Modeling）和投影（Projection）操作，这些操作可以有选择，平移，缩放，正侧投影，透视投影等。

如果我们使用照相机拍照的过程做类比，可以更好的理解3D 坐标变换的过程。



拍照时第一步是架起三角架并把相机的镜头指向需要拍摄的场景，对应到3D 变换为viewing transformation （平移或是选择Camera ）
然后摄影师可能需要调整被拍场景中某个物体的角度，位置，比如摄影师给架好三角架后给你拍照时，可以要让你调整站立姿势或是位置。对应到3D绘制就是Modeling transformation （调整所绘模型的位置，角度或是缩放比例）。
之后摄影师可以需要调整镜头取景（拉近或是拍摄远景），相机取景框所能拍摄的场景会随镜头的伸缩而变换，对应到3D绘图则为Projection transformation(裁剪投影场景）。
按下快门后，对于数码相机可以直接在屏幕上显示当前拍摄的照片，一般可以充满整个屏幕（相当于将坐标做规范化处理NDC），此时你可以使用缩放放大功能显示照片的部分。对应到3D绘图相当于viewport transformation （可以对最终的图像缩放显示等）
下图为Android OpenGL ES坐标变换的过程：





Object Coordinate System: 也称作Local coordinate System，用来定义一个模型本身的坐标系。
World Coordinate System: 3d 虚拟世界中的绝对坐标系，定义好这个坐标系的原点就可以用来描述模型的实现的位置，Camera 的位置，光源的位置。
View Coordinate System: 一般使用用来计算光照效果。
Clip Coordinate System: 对3D场景使用投影变换裁剪视锥。
Normalized device coordinate System (NDC): 规范后坐标系。
Windows Coordinate System: 最后屏幕显示的2D坐标系统，一般原点定义在屏幕左上角。


好了，上面只是对opengl三维变换知识的一个普及。 下面我们将要针对Libgdx中怎么处理这些东西的做一下分析。



Viewing和Modeling(MODELVIEW) 变换

为什么把这两个放在一起呢？我们可以这样想想， 当我们拉近镜头（物体不动）的时候，和物体靠近镜头（镜头不动），

或者镜头视角向上偏移（物体不动）和物体视角相对镜头向下偏移， 效果是一样的。 如下图：



view变换在Camera中给我们提供了所需字段 镜头位置，镜头指向目标位置的方向，镜头观测点方向为“上”的向量

/** the position of the camera **/
	public final Vector3 position = new Vector3();
	/** the unit length direction vector of the camera **/
	public final Vector3 direction = new Vector3(0, 0, -1);
	/** the unit length up vector of the camera **/
	public final Vector3 up = new Vector3(0, 1, 0);

变换的结果存储在view矩阵中

/** the view matrix **/
 public final Matrix4 view = new Matrix4();

model的变换的操作其实都已经移交到view变换中了， 所以就没有单独计算了。



投影变换Projection

在Opengl中的两种投影变换对应于Camera中的两个子类OrthographicCamera和PerspectiveCamera，分别是正投影和

透视投影。

先看看透视投影，如下图



粉色区域就是我们要得到的区域，又叫视锥。需要的数据也就有 视锥的view angle，视锥的宽高比，裁剪面的近距离，创建面的远距离

在PerspectiveCamera透视投射镜头中，我们也可以找到这些我们所需要的数据。

/** the field of view in degrees **/
	public float fieldOfView = 67;

/** the near clipping plane distance, has to be positive **/
	public float near = 1;
	/** the far clipping plane distance, has to be positive **/
	public float far = 100;

组装投射矩阵数据

float aspect = viewportWidth / viewportHeight;
		projection.setToProjection(Math.abs(near), Math.abs(far), fieldOfView, aspect);

下图为正投影镜头



它的视锥为一长方体，特点是物体的大小不随到观测点的距离而变化，投影后可以保持物体之间的距离和夹角。

在OrthographicCamera中表示

this.near = 0;

projection.setToOrtho(zoom * -viewportWidth / 2, zoom * (viewportWidth / 2), zoom * -(viewportHeight / 2), zoom
			* viewportHeight / 2, near, far);

在绘制的时候，我们可以使用Camera的apply方法，应用矩阵

public void apply (GL10 gl) {
		gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
		gl.glLoadMatrixf(projection.val, 0);
		gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
		gl.glLoadMatrixf(view.val, 0);
	}

这里要多提一下SpriteBatch中使用镜头的方式

GL10 gl = Gdx.gl10;
			gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION);
			gl.glLoadMatrixf(projectionMatrix.val, 0);
			gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
			gl.glLoadMatrixf(transformMatrix.val, 0);

大家有没有发现有点诡异？

在投射模式下使用的是projectionMatrix投影矩阵，乍一看是没什么问题， 但是这个projectionMatrix是由

投影矩阵和view变换矩阵的组合矩阵

combined.set(projection);
		Matrix4.mul(combined.val, view.val);

projectionMatrix其实就是combined

而transformMatrix这个也不是我们上面的view变换矩阵，而是一个空矩阵，可以让我们来set进去的。



好了，矩阵变换就到这里了， 有什么问题大家可以多多指教。