gluLookAt是如何工作的?

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据我理解,

gluLookAt(
        eye_x, eye_y, eye_z,
        center_x, center_y, center_z,   
        up_x, up_y, up_z
    );

等同于:

glRotatef(B, 0.0, 0.0, 1.0);
glRotatef(A, wx, wy, wz);
glTranslatef(-eye_x, -eye_y, -eye_z);

但是当我打印出ModelView矩阵时,调用glTranslatef()似乎无法正常工作。以下是代码片段:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <GL/glut.h>

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

static const int Rx = 0;
static const int Ry = 1;
static const int Rz = 2;

static const int Ux = 4;
static const int Uy = 5;
static const int Uz = 6;

static const int Ax = 8;
static const int Ay = 9;
static const int Az = 10;

static const int Tx = 12;
static const int Ty = 13;
static const int Tz = 14;

void init() {
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    glShadeModel(GL_SMOOTH);
    glEnable(GL_LIGHTING);
    glEnable(GL_LIGHT0);
    GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.8, 0.0, 0.0, 0.0 };
    glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);
}

void displayModelviewMatrix(float MV[16]) {
    int SPACING = 12;
    cout << left;
    cout << "\tMODELVIEW MATRIX\n";
    cout << "--------------------------------------------------" << endl;
    cout << setw(SPACING) << "R" << setw(SPACING) << "U" << setw(SPACING) << "A" << setw(SPACING) << "T" << endl;   
    cout << "--------------------------------------------------" << endl;
    cout << setw(SPACING) << MV[Rx] << setw(SPACING) << MV[Ux] << setw(SPACING) << MV[Ax]  << setw(SPACING) << MV[Tx] << endl;
    cout << setw(SPACING) << MV[Ry] << setw(SPACING) << MV[Uy] << setw(SPACING) << MV[Ay]  << setw(SPACING) << MV[Ty] << endl;
    cout << setw(SPACING) << MV[Rz] << setw(SPACING) << MV[Uz] << setw(SPACING) << MV[Az] << setw(SPACING)  << MV[Tz] << endl;
    cout << setw(SPACING) << MV[3] << setw(SPACING) << MV[7] << setw(SPACING) << MV[11] << setw(SPACING) << MV[15] << endl;
    cout << "--------------------------------------------------" << endl;
    cout << endl;
}

void reshape(int w, int h) {
    float ratio = static_cast<float>(w)/h;
    glViewport(0, 0, w, h);
    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();
    gluPerspective(45.0, ratio, 1.0, 425.0);
}

void draw() {
    float m[16];
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
    glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, m);
    gluLookAt(
        300.0f, 0.0f, 0.0f,
        0.0f, 0.0f, 0.0f,
        0.0f, 1.0f, 0.0f
    );
    glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
    glutSolidCube(100.0);
    glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, m);
    displayModelviewMatrix(m);
    glutSwapBuffers();
}


int main(int argc, char** argv) {
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);
    glutInitWindowSize(400, 400);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutCreateWindow("Demo");
    glutReshapeFunc(reshape);
    glutDisplayFunc(draw);
    init();
    glutMainLoop();
    return 0;
} 

无论我使用什么值作为eye向量:
300, 0, 0 或者
0, 300, 0 或者
0, 0, 300
平移向量都是相同的,这没有任何意义,因为代码顺序是反向的,所以应该先运行glTranslatef,然后是2次旋转。此外,旋转矩阵与平移列(在ModelView矩阵中)完全独立,那么是什么导致了这种奇怪的行为?这里是当eye向量为(0.0f, 300.0f, 0.0f)时的输出。
        MODELVIEW MATRIX
--------------------------------------------------
R           U           A           T
--------------------------------------------------
0           0           0           0
0           0           0           0
0           1           0           -300
0           0           0           1
--------------------------------------------------

我希望您能够解释一下,为什么 T 列应该是 (0, -300, 0)!是否有人可以帮助我解释一下?
来自 http://www.mesa3d.orggluLookAt 实现。
void GLAPIENTRY
gluLookAt(GLdouble eyex, GLdouble eyey, GLdouble eyez, GLdouble centerx,
      GLdouble centery, GLdouble centerz, GLdouble upx, GLdouble upy,
      GLdouble upz)
{
    float forward[3], side[3], up[3];
    GLfloat m[4][4];

    forward[0] = centerx - eyex;
    forward[1] = centery - eyey;
    forward[2] = centerz - eyez;

    up[0] = upx;
    up[1] = upy;
    up[2] = upz;

    normalize(forward);

    /* Side = forward x up */
    cross(forward, up, side);
    normalize(side);

    /* Recompute up as: up = side x forward */
    cross(side, forward, up);

    __gluMakeIdentityf(&m[0][0]);
    m[0][0] = side[0];
    m[1][0] = side[1];
    m[2][0] = side[2];

    m[0][1] = up[0];
    m[1][1] = up[1];
    m[2][1] = up[2];

    m[0][2] = -forward[0];
    m[1][2] = -forward[1];
    m[2][2] = -forward[2];

    glMultMatrixf(&m[0][0]);
    glTranslated(-eyex, -eyey, -eyez);
}

请发布您执行3个变换而不是gluLookAt的代码。您确定gluLookAt等效于它们吗?我看到了一个实现,但我对如何使用此代码中的forwardupside向量执行旋转非常困惑。(第一列) http://pastebin.com/2HQvKBH7 - max
@Max:我相信是这样。实际实现中最后一行是 glTranslated(-eyex, -eyey, -eyez),所以我的假设必须是正确的。 forwardupside 向量只用于左上角的 3x3 矩阵,所以我不明白它们如何影响平移向量? - roxrook
是的,旋转不会影响平移向量。我的意思是,请发布您正在使用这3个调用而不是gluLookAt的代码。它可能是错误的... - max
试着在这里查看一些提示。 - George Profenza
3个回答

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如果我们让一个旋转和平移矩阵像您的模型视图矩阵一样。
Rxx Rxy Rxz Tx 
Ryx Ryy Ryz Ty 
Rzx Rzy Rzz Tz 
 0   0   0   1 

作用于任意向量

x
y
z
1

我们得到
Rxx x + Rxy y + Rxz z  +  Tx 
Ryx x + Ryy y + Ryz z  +  Ty
Rzx x + Rzy y + Rzz z  +  Tz
1

我正在编写代码,以便向量在左边乘以矩阵。

这表明矩阵的平移分量给出旋转之后要应用的平移。这就是为什么它们不同于你的(-eye_x, -eye_y, -eye_z)向量,因为正如你所指出的那样,在旋转之前已经进行了平移。

平移始终沿着-z方向,因为在视图框架中,-z方向指向中心。由于你总是将中心放在距离眼睛300个单位的位置,所有的眼睛位置都将中心放在视图框架中的(0, 0, -300)处。因此,因为中心在进行任何平移之前始终从原点开始,所以给它正确坐标的平移必须是(0, 0, -300)。

另外,你可能已经注意到了,但是你展示的模型视图矩阵是病态的,因为你的上向量沿着视线方向(从眼睛到中心)。这就解释了为什么它有两行完整的零。


0

@Andon M. Coleman - 以上的图表如何是行优先的?拥有行或列主要矩阵是关于在一维内存中表示二维结构的内存表示,与上述4x4变换矩阵的图表无关。

如果向量U、V、N被写成列,正如你所建议的那样,那么你将会得到一个从相机空间到世界空间的转换。

然而,矩阵的输入是世界空间位置,输出是相机空间位置,因此矩阵是一个从世界空间到相机空间的转换。

U、V、N之所以被转置,是因为这是你所建议的矩阵的逆矩阵,并且通过使用正交矩阵的属性,其中它们的逆矩阵也是它的转置。也就是说,我们将U、V、N向量写成行来获得从世界空间到相机空间的转换,将U、V、N向量写成列来获得从相机空间到世界空间的转换。

此外,右乘世界位置的选择是因为该图表使用列向量。如果我们使用行向量,我们将左乘。这与我们如何在内存中存储矩阵无关,而与我们如何将两个矩阵相乘有关,也就是说,在我们将其与4x4矩阵相乘之前,我们是否将我们的向量转换为1X4或4X1矩阵。

简而言之,上面的图表是正确的,它只是从一个空间转换到另一个空间,请不要混淆问题,谈论内存布局是一项编程细节。

0
“我对这段代码中使用前向、上方和侧向向量进行旋转的方式感到非常困惑……” 我认为你应该了解一些关于“UVN相机”的理论。有一些关于两个坐标系之间的坐标转换的理论。在上面的例子中,这两个坐标系是世界坐标系和相机坐标系。 结果如下: xenter image description here

N - 从目标指向相机的向量。在一些3D文献中,这个向量也被称为“观察”向量。这个向量对应于-Z轴。

V - 当站立时,这是从你的头顶指向天空的向量。如果你正在编写一个飞行模拟器,并且飞机倒置,那么这个向量很可能指向地面。这个向量对应于Y轴。

U - 这个向量指向相机的“右侧”。它对应于X轴。


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那个图对于这个问题是完全错误的。那是行主要表示法,而OpenGL使用列主要表示法。在数学上它是可行的,但是按照规范UVN应该被转置或者(x_world,y_world,z_world)应该在另一侧。 - Andon M. Coleman

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