Qt+OpenGL(7)变换

一、基础知识

主要是一些向量和矩阵的计算方式。大学本科期间的线性代数里面的内容。

缩放矩阵

$$\begin{bmatrix}
S_{1} & 0 & 0 & 0 \\
0 & S_{2} & 0 & 0 \\ 
0 & 0 & S_{3} & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1 \\
\end{bmatrix} \bullet \begin{pmatrix}
x \\
y \\
z \\
1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
S_{1} \bullet x \\
S_{2} \bullet y \\
S_{3} \bullet z \\
1\end{pmatrix}$$

 

位移矩阵

旋转矩阵

沿X轴旋转；

沿Y轴旋转：

沿Z轴旋转：

 

复合变换

比如先将一个顶点(x, y, z)缩放2倍，然后再位移(1, 2, 3)个单位，最终的变换矩阵就是下面：

 

 

 

二、实践

在上一节的基础上，我们删掉颜色属性，于是顶点数组就变成了：

float vertices[] = {
    // 位置                 // 纹理坐标
    0.5f,  0.5f, 0.0f,     1.0f, 1.0f, // 右上
    0.5f, -0.5f, 0.0f,     1.0f, 0.0f, // 右下
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,    0.0f, 0.0f, // 左下
    -0.5f,  0.5f, 0.0f,    0.0f, 1.0f  // 左上
};

 

同时删除顶点着色器和片段着色器上关于颜色的代码。

我们这一节的主题是变换，我们需要给没给顶点位置乘一个变换矩阵，将其变换到我们需要的位置，所以我们在顶点着色器中定义一个uniform变量transform，作为我们需要传入的变换矩阵：

#version 330 core

layout(location=0) in vec3 aPos;
layout(location=1) in vec2 aTexCoord;
out vec2 TexCoord;
uniform mat4 transform;

void main()
{
    gl_Position = transform * vec4(aPos, 1.0);
    TexCoord = vec2(aTexCoord.x, aTexCoord.y);
}

片段着色器不需要改变，只需要删除有关顶点颜色属性的代码即可：

#version 330 core
out vec4 FragColor;
in vec2 TexCoord;
uniform sampler2D texture1;
uniform sampler2D texture2;
void main()
{
    FragColor = mix(texture(texture1, TexCoord), texture(texture2, TexCoord), 0.2);
}

 

 Qt提供了QMatrix4x4类，我们可以使用这个类很方便的进行各种三维空间的变换。

我们在上一节的基础上，首先绕Z轴旋转90度，然后每个轴都缩放0.5倍：

void GLWidget::initializeGL(){
    ...
    m_program->bind();  //在修改uniform值之前，一定要绑定着色器程序到当前激活的opengl上下文
// 我们首先绕Z轴逆时针旋转90度，然后每个轴都缩放0.5倍
    QMatrix4x4 transform;   // 默认创建一个单位矩阵
    transform.rotate(90, QVector3D(0, 0, 1));   // 绕Z轴逆时针旋转90度
    transform.scale(QVector3D(0.5, 0.5, 0.5));  // 每个轴都缩放0.5倍
    m_program->setUniformValue("transform", transform); // 将该矩阵传递至定点着色器
    ...
}

 

 我们可以得到如下效果：

 

 完整代码如下：

查看代码

 //glwidget.h
#ifndef GLWIDGET_H
#define GLWIDGET_H

#include <QOpenGLWidget>
#include <QOpenGLExtraFunctions>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>
#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLShader>
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLTexture>

class GLWidget : public QOpenGLWidget, protected QOpenGLFunctions
{
public:
    explicit GLWidget(QWidget *parent = nullptr);
    ~GLWidget();

protected:
    void resizeGL(int w, int h) override;
    void initializeGL() override;
    void paintGL() override;

private:
    QOpenGLVertexArrayObject *m_vao;    //顶点数组对象
    QOpenGLBuffer *m_vbo;               //顶点缓冲对象
    QOpenGLBuffer *m_ebo;               //元素缓冲对象
    QOpenGLShader *m_vshader;           //顶点着色器
    QOpenGLShader *m_fshader;           //片段着色器
    QOpenGLShaderProgram *m_program;    //着色器程序对象
    QOpenGLTexture *m_texture1 ;          //纹理对象
    QOpenGLTexture *m_texture2 ;          //纹理对象
};
#endif // GLWIDGET_H


//glwidget.cpp
#include "glwidget.h"
#include <QDir>
#include <QFile>
#include <QDebug>
#include <QImage>
#include <QMatrix4x4>

float vertices[] = {
    // 位置                 // 纹理坐标
    0.5f,  0.5f, 0.0f,     1.0f, 1.0f, // 右上
    0.5f, -0.5f, 0.0f,     1.0f, 0.0f, // 右下
    -0.5f, -0.5f, 0.0f,    0.0f, 0.0f, // 左下
    -0.5f,  0.5f, 0.0f,    0.0f, 1.0f  // 左上
};
unsigned int indices[] = {
    // 注意索引从0开始!
    // 此例的索引(0,1,2,3)就是顶点数组vertices的下标，
    // 这样可以由下标代表顶点组合成矩形
    0, 1, 3, // 第一个三角形
    1, 2, 3  // 第二个三角形
};

GLWidget::GLWidget(QWidget *parent) : QOpenGLWidget(parent)
{
    makeCurrent();

}

GLWidget::~GLWidget()
{
    if (m_program == nullptr) { return; }
    makeCurrent();
    delete m_program;
    delete m_vshader;
    delete m_fshader;
    m_vbo->destroy();
    m_vao->destroy();
    doneCurrent();
}

//设置OpenGL视口、投影等。每当窗口部件被调整大小时调用（也在第一次显示时调用，因为所有新创建的窗口部件都自动获得调整大小事件）。
void GLWidget::resizeGL(int w, int h)
{

}

//设置OpenGL资源和状态。在第一次调用resizeGL()或paintGL()之前调用一次。
void GLWidget::initializeGL()
{
    initializeOpenGLFunctions();
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);// 设置清屏颜色
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);    // 启用深度测试
    glEnable(GL_COLOR_BUFFER_BIT);  // 启用颜色缓冲区

    // 创建顶点着色器对象，并编译
    m_vshader = new QOpenGLShader(QOpenGLShader::Vertex);
    m_vshader->compileSourceFile(QString(":/shader/shader.vs"));
    // 创建片段着色器对象，并编译
    m_fshader = new QOpenGLShader(QOpenGLShader::Fragment);
    m_fshader->compileSourceFile(QString(":/shader/shader.fs"));
    // 创建着色器程序对象，添加顶点着色器和片段着色器，并链接它们
    m_program = new QOpenGLShaderProgram;
    m_program->addShader(m_vshader);
    m_program->addShader(m_fshader);
    m_program->link();
    // 创建顶点数组对象，并绑定到当前上下文
    m_vao = new QOpenGLVertexArrayObject;
    m_vao->create();
    QOpenGLVertexArrayObject::Binder vaoBinder(m_vao);
    // 创建顶点缓冲对象，
    m_vbo = new QOpenGLBuffer(QOpenGLBuffer::VertexBuffer);
    m_vbo->create();
    m_vbo->bind();
    // 分配显存大小，并搬运至显存
    m_vbo->allocate(vertices, sizeof(vertices));

    // 创建元素缓冲对象，
    m_ebo = new QOpenGLBuffer(QOpenGLBuffer::IndexBuffer);
    m_ebo->create();
    m_ebo->bind();
    // 分配显存大小，并搬运至显存
    m_ebo->allocate(indices, sizeof(indices));
    // 链接顶点属性
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), 0);
    // 顶点属性默认是禁用的，启用顶点属性0（location=0）
    m_program->enableAttributeArray(0);
    // 纹理坐标属性
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void *)(3 * sizeof(float)));
    m_program->enableAttributeArray(1);


    // 加载纹理
    m_texture1 = new QOpenGLTexture(QImage(":/image/container.jpg").mirrored());
    // 设置纹理环绕方式
    m_texture1->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS, QOpenGLTexture::Repeat);
    m_texture1->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT, QOpenGLTexture::Repeat);
    // 设置多级渐远纹理过滤方式
    m_texture1->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear, QOpenGLTexture::Linear);

    // 加载纹理
    m_texture2 = new QOpenGLTexture(QImage(":/image/awesomeface.png").mirrored());
    // 设置纹理环绕方式
    m_texture2->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionS, QOpenGLTexture::Repeat);
    m_texture2->setWrapMode(QOpenGLTexture::DirectionT, QOpenGLTexture::Repeat);
    // m_texture2
    m_texture1->setMinMagFilters(QOpenGLTexture::LinearMipMapLinear, QOpenGLTexture::Linear);


    // 我们需要手动设置哪个采样器对应哪个纹理单元
    m_program->bind();  //在修改uniform值之前，一定要绑定着色器程序到当前激活的opengl上下文
    m_program->setUniformValue("texture1", 0);
    m_program->setUniformValue("texture2", 1);

    // 我们首先绕Z轴逆时针旋转90度，然后每个轴都缩放0.5倍
    QMatrix4x4 transform;   // 默认创建一个单位矩阵
    transform.rotate(90, QVector3D(0, 0, 1));   // 绕Z轴逆时针旋转90度
    transform.scale(QVector3D(0.5, 0.5, 0.5));  // 每个轴都缩放0.5倍
    m_program->setUniformValue("transform", transform); // 将该矩阵传递至定点着色器

    m_vao->release();
    m_vbo->release();
    // VAO还在使用时，不能释放EBO
}

//渲染OpenGL场景。每当窗口部件需要更新时调用。
void GLWidget::paintGL()
{
    // 清空颜色缓冲区和深度缓冲区
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    // 将纹理绑定到当前激活的纹理单元
    m_texture1->bind(0);
    m_texture2->bind(1);
    // 绑定着色器程序至当前上下文，相当于调用glUseProgram()
    m_program->bind();
    // 绑定VAO，调用设置的一组状态
    QOpenGLVertexArrayObject::Binder vaoBinder(m_vao);
    // 绘制三角形
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
    m_program->release();
    // 交换缓存
    auto *context = QOpenGLContext::currentContext();
    context->swapBuffers(context->surface());
    //使用swapBuffers后，必须调用makeCurrent后才能使用其他OpenGL函数。
    makeCurrent();
}