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如何在OpenGL中实现3D空间中的垂直旋转？

pythonopenglpygametrigonometryopengl-compat
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我有一个使用OpenGL创建的立方体场，并且可以正常移动，部分旋转"相机"也正常工作，但当我尝试向上或向下看时出现问题。

我有一小段代码有点可用：

if pressed[pygame.K_UP] or pressed[pygame.K_DOWN]:
            rotx = cos(rot/radian)
            rotz = sin(rot/radian)
            if pressed[pygame.K_UP]:
                glRotatef(speed / 2, -rotx, 0, rotz)
            if pressed[pygame.K_DOWN]:
                glRotatef(speed / 2, rotx, 0, -rotz)

但只有当旋转角度为0时才有效。因此，当我第一次运行程序时，我只能左右移动，如果不向左或向右看，也不向前或向后移动。

verticies = (
    (1, -1, -1),
    (1, 1, -1),
    (-1, 1, -1),
    (-1, -1, -1),
    (1, -1, 1),
    (1, 1, 1),
    (-1, -1, 1),
    (-1, 1, 1)
    )

edges = (
    (0,1),
    (0,3),
    (0,4),
    (2,1),
    (2,3),
    (2,7),
    (6,3),
    (6,4),
    (6,7),
    (5,1),
    (5,4),
    (5,7)
    )


def Cube(tX, tY, tZ):
    glBegin(GL_LINES)
    for edge in edges:
        for vertex in edge:
            glVertex3f(verticies[vertex][0] + tX, verticies[vertex][1] + tY, verticies[vertex][2] + tZ)
    glEnd()


def main():
    pygame.init()
    screenSize = (1500, 800)
    pygame.display.set_mode(screenSize, DOUBLEBUF|OPENGL)

    gluPerspective(45, (screenSize[0]/screenSize[1]), 0.1, 50.0)

    rot = 0
    speed = 3
    radian = 57.2958
    while True:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                pygame.quit()
                quit()

        pressed = pygame.key.get_pressed()

        #==# Rotation with arrow keys #==#
        if pressed[pygame.K_LEFT]:
            glRotatef(speed / 2, 0, -1, 0)
            rot += 1
        if pressed[pygame.K_RIGHT]:
            glRotatef(speed / 2, 0, 1, 0)
            rot -= 1
        if pressed[pygame.K_UP] or pressed[pygame.K_DOWN]:
            rotx = cos(rot/radian)
            rotz = sin(rot/radian)
            if pressed[pygame.K_UP]:
                glRotatef(speed / 2, -rotx, 0, rotz)
            if pressed[pygame.K_DOWN]:
                glRotatef(speed / 2, rotx, 0, -rotz)

        #==# Walking with WASD #==#
        if pressed[pygame.K_w]:
            glTranslate(sin(rot/radian) / speed, 0, cos(rot/radian) / speed)
        if pressed[pygame.K_s]:
            glTranslate(-sin(rot/radian) / speed, 0, -cos(rot/radian) / speed)

        if pressed[pygame.K_a]:
            glTranslate(sin((rot + 90)/radian) / speed, 0, cos((rot + 90)/radian) / speed)
        if pressed[pygame.K_d]:
            glTranslate(-sin((rot + 90)/radian) / speed, 0, -cos((rot + 90)/radian) / speed)


        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

        for i in range(8):
            for j in range(8):
                Cube(-i*2.5, -4, -j*2.5)

        pygame.display.flip()
        pygame.time.wait(10)

main()

我曾认为这可以作为FPS游戏中的移动和相机，但实际证明并不可行。

1个回答
1

这完全取决于顺序。OpenGL是一个状态引擎。每个操作都会改变状态。当你执行像 glTranslatef 或者 glRotatef 这样的操作时，矩阵栈上的当前矩阵就会被改变。

在OpenGL中有不同的矩阵，例如模型视图矩阵和投影矩阵。你需要做的第一件事情就是将投影矩阵和模型视图矩阵分离。这可以通过设置矩阵模式（请参见 glMatrixMode）来完成：

glMatrixMode(GL_PROJECTION)
gluPerspective(45, (screenSize[0]/screenSize[1]), 0.1, 50.0)
glMatrixMode(GL_MODELVIEW)

# [...]

当矩阵操作应用于矩阵堆栈时，当前矩阵将乘以由该操作定义的新（附加）矩阵。这意味着glRotatef后跟glTranslatef执行：
current_matrix = current_matrix * rotation_matrix * translation_matrix

问题在于，如果您想在第一人称视角下应用新的平移或旋转，则必须将新的变换应用于当前视图（当前模型视图矩阵）。这意味着操作必须按相反的顺序执行，即与矩阵操作相反:
current_matrix = rotation_matrix * translation_matrix * current_matrix

你已经尝试通过三角函数计算当前视角方向来补偿这一点。但是还有另一种解决方案： 
current_mv_mat = (GLfloat * 16)() 
glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, current_mv_mat)
glLoadIdentity()

# [...] glTranslatef, glRotatef

glMultMatrixf(mv)

更加棘手的是，需要在当前视图上执行上下旋转，但遗憾的是，它不应该在当前矩阵中陈述，因为移动和左右旋转分别不应取决于上下视图。
current_matrix = rotation_matrix * translation_matrix * current_matrix
mdel_view_matrix = roate_updown * current_matrix

幸运的是，当前矩阵被管理在一个堆栈上，并且可以通过 glPushMatrix / glPopMatrix 进行推入和弹出。向上和向下的旋转必须被总结起来，最终应用于视图：

glPushMatrix()

current_mv_mat = (GLfloat * 16)()
glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, current_mv_mat)
glLoadIdentity()
glRotatef(sum_rot_updown, 1, 0, 0)
glMultMatrixf(mv)

# [...] draw all the objects of the scene

glPopMatrix()

看这个例子，我把建议应用到了你的原始代码中：

def main():
    pygame.init()
    screenSize = (1500, 800)
    pygame.display.set_mode(screenSize, DOUBLEBUF|OPENGL)

    glMatrixMode(GL_PROJECTION)
    gluPerspective(45, (screenSize[0]/screenSize[1]), 0.1, 50.0)
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)

    rot = 0
    speed = 3
    radian = 57.2958
    sum_rot_updown = 0
    current_mv_mat = (GLfloat * 16)()
    while True:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                pygame.quit()
                quit()

        pressed = pygame.key.get_pressed()

        glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, current_mv_mat)
        glLoadIdentity()

        #==# Rotation left and right with arrow keys #==#
        if pressed[pygame.K_LEFT]:
            glRotatef(speed / 2, 0, -1, 0)
            rot += 1
        if pressed[pygame.K_RIGHT]:
            glRotatef(speed / 2, 0, 1, 0)
            rot -= 1

        #==# Walking with WASD #==#
        if pressed[pygame.K_w]:
            glTranslate(0, 0, 1/speed)
        if pressed[pygame.K_s]:
            glTranslate(0, 0, -1/speed)
        if pressed[pygame.K_a]:
            glTranslate(1/speed, 0, 0)
        if pressed[pygame.K_d]:
            glTranslate(-1/speed, 0, 0)

        glMultMatrixf(current_mv_mat)

        #==# Rotation up and down with arrow keys #==# 
        if pressed[pygame.K_UP]:
            sum_rot_updown -= speed / 2
        if pressed[pygame.K_DOWN]:
            sum_rot_updown += speed / 2

        glPushMatrix()

        glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, current_mv_mat)
        glLoadIdentity()
        glRotatef(sum_rot_updown, 1, 0, 0)
        glMultMatrixf(current_mv_mat)

        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

        for i in range(8):
            for j in range(8):
                Cube(-i*2.5, -4, -j*2.5)

        glPopMatrix()

        pygame.display.flip()
        pygame.time.wait(10)

main()
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