OpenGL ES投影和視圖變換

上篇文章介紹了 Android 中的 OpenGL 以及坐標映射等，在 OpenGL ES 環境中，通過投影和相機視圖，顯示的繪製對象更接近於眼睛看到的實物，這種呈現方式是通過對繪製對象坐標進行數學轉換來完成，這裡介紹一下投影和相機視圖相關知識，文中代碼案例變更可以參考前一篇文章：

Android 中的 OpenGL

主要內容如下：

投影類型
定義投影
定義相機視圖
應用投影和相機視圖
運行效果

投影類型#

OpenGL 中主要有兩種投影模式，分別是正交投影和透視投影，其特點分別如下：

透視投影：符合人眼習慣，呈現近大遠小的效果。
正交投影：所有物體在投影平面上保持原來的大小。

透視投影的視景體是截錐體，正交投影的視景體是長方體，透視投影和正交投影示意圖如下：

兩者對應的矩陣計算函數如下：

// 透視投影矩陣
Matrix.frustumM(float[] m, int offset, float left, float right, float bottom, float top, float near, float far);
// 正交投影矩陣
Matrix.orthoM(float[] m, int offset, float left, float right, float bottom, float top, float near, float far);

上述函數參數中 m 用來存儲對應的投影矩陣數據，near 和 far 分別表示視景體的近平面、遠屏幕距離，left、right、top、bottom 對應的是遠平面的參數。

定義投影#

根據上一小節內容，這裡使用透視投影，填充投影矩陣使用 Matrix.frustumM() ，如下

private val projectionMatrix = FloatArray(16)
override fun onSurfaceChanged(unused: GL10, width: Int, height: Int) {
    GLES20.glViewport(0, 0, width, height)
    val ratio: Float = width.toFloat() / height.toFloat()
    Matrix.frustumM(projectionMatrix, 0, -ratio, ratio, -1f, 1f, 3f, 7f)
}

上述代碼填充了一個投影矩陣projectionMatrix，其變化參考如下動圖：

定義相機視圖#

相機視圖顧名思義就相當於站在相機的角度觀察某個物體，使用Matrix.setLookAtM方法來填充視圖矩陣，關鍵參數主要是相機位置、目標位置和相機的正上方向量，然後將投影矩陣和視圖矩陣合併為vPMatrix，如下：

override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
    // 繪製當前frame，用於渲染處理具體的內容
    Log.d(tag, "onDrawFrame")
   
    // 設置相機位置（視圖矩陣）
    Matrix.setLookAtM(viewMatrix,0,
                  0.0f,0.0f,5.0f, // 相機位置
                  0.0f,0.0f,0.0f, // 目標位置
                  0.0f,1.0f,0.0f) // 相機正上方向量
    // 計算投影和視圖變換
    Matrix.multiplyMM(vPMatrix,0,projectionMatrix,0,viewMatrix,0)
    
    // 具體繪製
    triangle.draw(vPMatrix)
}

如上案例中相機位置 z 坐標為只能在 near 和 far 之間，也就是必須在 3 和 7 之間，不能在其範圍外觀察，參考如下動圖：

應用投影和相機視圖#

為了適應投影和視圖變換，修改上一篇中的著色器代碼如下：

// default
attribute vec4 vPosition;
void main() {
    gl_Position = vPosition;
}
// 使用投影和視圖變換
uniform mat4 uMVPMatrix;
attribute vec4 vPosition;
void main() {
    gl_Position = uMVPMatrix * vPosition;
}

將上一小節中計算得到的的vPMatrix矩陣傳入著色器即可：

fun draw(mvpMatrix: FloatArray) {
    // 獲取attribute變量的地址索引
    // get handle to vertex shader's vPosition member
    positionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(programHandle, "vPosition").also {
        // enable vertex attribute，默認是disable
        GLES20.glEnableVertexAttribArray(it)
        GLES20.glVertexAttribPointer(
            it,
            COORDINATE_PER_VERTEX,
            GLES20.GL_FLOAT,
            false,
            vertexStride,
            vertexBuffer
        )
    }
    // get handle to fragment shader's vColor member
    colorHandler = GLES20.glGetUniformLocation(programHandle, "vColor").also {
        GLES20.glUniform4fv(it, 1, color, 0)
    }
   
    // get handle to shape's transformation matrix
    vPMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(programHandle, "uMVPMatrix")
    // Pass the projection and view transformation to the shader
    GLES20.glUniformMatrix4fv(vPMatrixHandle, 1, false, mvpMatrix, 0)
    
    // draw triangle
    GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, vertexCount)
    GLES20.glDisableVertexAttribArray(positionHandle)
}

到此通過代碼改造應用投影和相機視圖，解決了橫豎屏切換的變形問題，這種變形自然可以延伸到其他領域，比如 OpenGL 渲染視頻時的視頻比例等。

運行效果#

可以與上一篇文章中的運行效果進行對比，運行效果如下：

可以回覆關鍵字【OpenGL】獲取源代碼，上文中出現的動圖程序回覆關鍵字【OTUTORS】獲取。