OpenGL边用边学------2 经典照相机模型
学习OpenGL必须要有一个感性的认识，最经典的类比就是照相机照相模型。如今差点儿人人都有一部自带照相功能的手机了，所以这个模型对于绝大多数人来说都是非常easy理解的。
1 实际照相步骤
1.1 布置场景和调整照相机位置
之所以把布置场景和调整相机位置放到了一起，是因为这两个步骤的顺序不是固定的，摄影师既能够自己移动相机。也能够指挥被拍的人移动位置。
1.3 选择镜头，对焦（Focus)
镜头的选择主要是为了达到合适的视角范围。镜头确定以后，焦距就确定了。
一般来说，调焦(Focus)并非改变镜头的焦距。而是改变镜头与胶片的距离（像距）。
凸透镜能成像，一般用凸透镜做照相机的镜头时，它成的最清晰的像一般不会正好落在焦点上，或者说，最清晰的像到光心的距离(像距)一般不等于焦距，而是略大于焦距。详细的距离与被照的物体与镜头的距离(物距)有关，物距越大，像距越小。(但实际上总是大于焦距)。
1.4 按下快门
一切都调整好了，就能够拍照了。
按下快门的那一刻，相机位置、场景布置都定格了，不再改变。
感光器件（胶片）会记录下这一时刻的场景。绘制成一个矩形的二位像素图。
1.5 在电脑窗体中赞赏图片
然后就能够把照片转移到电脑中。使用看图软件把图片放到合适的位置进行赞赏了。
2 OpenGL的相机模型
2.0 确定胶片位置
OpenGL中没有真正的胶片，必须把拍摄到的图像放到一个指定的地方显示。这个地方就是视口。在上篇博文中已经专门介绍了视口的设置方法了。这里不再累述。
2.1 确立场景（世界）坐标系
与实际照相不同的是。OpenGL默认的物理世界里是没有不论什么物体的。须要程序猿通过代码来建立场景中的物体。
建模的最基本要素是确定物体的位置。而要描写叙述物体位置首先要做的就是确定一个世界（场景）坐标系。
这个坐标系必须是标准的笛卡尔右手坐标系。而其原点和长度单位却没有不论什么限制，由程序猿依据实际须要自由确定。比如，对于整个城市的场景，原点能够设置在市政府。x，y方向能够分别设置为东西方向和南北方向，长度单位设置为米。而对于分子结构的场景，长度单位则可能是纳米了。
同其它状态变量一样，OpenGL的世界坐标系也有默认值。那就是一个标准右手三维直角坐标系。y轴向上，原点位置和长度单位未定义。
创建坐标系是程序猿的思维中进行的，无法直接体现到代码上，通过后面相机、物体的定位坐标数值来体现。
2.2 在世界坐标系中确定相机位置与方向
与场景中的其它物体一样，相机也是在世界坐标系中进行定位的。在OpenGL中，改变相机位置和方向的行为叫做视图变换，完毕这个功能的函数是gluLookAt()。
void WINAPI gluLookAt(
GLdouble eyex,
GLdouble eyey,
GLdouble eyez,
GLdouble centerx,
GLdouble centery,
GLdouble centerz,
GLdouble upx,
GLdouble upy,
GLdouble upz
);首先，确定的是照相机的坐标，通过(eyex, eyey, eyez)确定。
其次，是确定镜头的朝向，通过瞄准线上一点(centerx,centery,centerz)指定，须要注意的是，这个点并非拍摄时对焦的点，仅仅是用来确定镜头的方向而已。终于方向就是从点(eyex,eyey,eyez)到(centerx,centery,centerz)的连线方向。
最后，是旋转镜头。通过指定向上方向上经过的一点（upx,upy,upz)确定。须要注意的是，向上方向是由(0。0。0）到(upx,upy,upz)连线确定的，与相机坐标(eyex,eyey,eyez)没有关系。
OpenGL同样会在初始化时。为相机的位置和方向在世界坐标系中指定一个默认值。那就是。照相机位于原点，镜头朝向z轴负方向。向上方向为y轴正方向。相当于调用了gluLookAt(0,0,0,0,0,0,0,1,0)。
2.3 在世界坐标系中建立物理世界模型
与实际照相不同。OpenGL里的物体都是虚拟的，想象出来的。
详细来说。是通过在世界坐标系里确定其位置来描写叙述的。
这样的虚拟的特性给了OpenGL比实际照相很多其它的控制性。比如，虚拟的物体能够随意摆放，随意建立或删除。随意着色。随意形状。
仅仅要你敢想象。没有人能阻挡你建立一座倒立的房子。因为这些物体能够随意移动，所以全然能够把照相机始终固定，仅仅是通过移动物体来达到和移动相机同样的效果。相机成像的结果就是相机和物体相对位置来确定的，所以理论上移动物体和移动相机都能达到同样的效果。
实际上。OpenGL就是使用了一个矩阵来描写叙述这样的相对关系。这就是大名鼎鼎的模型视图矩阵。
移动物体在OpenGL里被叫做模型变换。视图变换和模型变换改变的都是同一个模型视图矩阵。模型变换就是改动模型视图矩阵，OpenGL为最经常使用的三种变换提供了函数：
/*平移*/
void WINAPI glTranslatef(
GLfloat x,
GLfloat y,
GLfloat z
);
/*旋转*/
void WINAPI glRotatef(
GLfloat angle,
GLfloat x,
GLfloat y,
GLfloat z
);
/*缩放*/
void WINAPI glScalef(
GLfloat x,
GLfloat y,
GLfloat z
);普通情况下，这三种变换全然能够满足程序的须要。假设须要特殊的变化，OpenGL也提供了直接操作矩阵的方式。
void WINAPI glMultMatrixf(
const GLfloat *m
);2.4 视图变换与模型变换的抉择
详细是採用视图变换还是模型变换。取决于详细的场景渲染需求，往往一种变换比还有一种变换更直接、更easy理解、更简单。
比如驾驶飞机游戏中，从飞机内部向外看时。则视图变换明显要更简单、更符合正常思维。
2.5 在照相机坐标系中确定可视范围。对焦（投影变换）
镜头有个横向有个视角问题。纵深也有范围，不可能看到无限远的物体。实际照相时镜头的不同决定了水平视角大小，光线的强弱决定了能拍摄的最大纵深。对焦决定了胶片位置。在OpenGL中，则通过一个函数完毕了这些功能。
OpenGL提供了例如以下函数来完毕这个任务。
void WINAPI glFrustum(
GLdouble left,
GLdouble right,
GLdouble bottom,
GLdouble top,
GLdouble zNear,
GLdouble zFar
);
这个可视范围也是在照相机坐标系中指定的。
照相机坐标系的定义例如以下：
- 原点位于照相机本身
- 照相机的向上方向（由gluLookAt指定）为y轴正方向，照相机朝向为z轴负方向。x轴依据右手定则确定；
- 长度单位与世界坐标系同样
这样近平面左下角坐标就是(left, bottom, -near)，右上角坐标是(right, top, -near)。
注意：參数中的zNear, zFar都是距离值。必须为正；其它參数则是坐标值。可正可负。
因为近平面也是终于的投影平面，所以zNear也就成了对焦距离了。
实际使用时，glFrustum中各个參数的确定不是非常方便。所以OpenGL提供了另外一个更方便调用的函数来确定可视范围。
gluPerspective()。
void WINAPI gluPerspective(
GLdouble fovy,
GLdouble aspect,
GLdouble zNear,
GLdouble zFar
);
当然，这个函数中的參数也是在相机坐标系中确定的。当中zNear, zFar的含义与glFrustum()中的同样。
fovy是在垂直方向的可视角度，单位为度。范围为（0.0，180.0），aspect是水平方向可视角度范围与垂直方向可视角度范围的比例，也就是水平方向可视范围为 fovy*aspect。
这个函数定义了一个对称的可视空间，用起来要比glFrustum方便非常多。
2.6 调用glBegin(); …; glEnd()拍照
前面的全部的设置确定了终于拍摄的范围、方向、存放地。最后一步就是进行实际拍摄了。在OpenGL中。拍摄动作是伴随建模一起的。
3 OpenGL相机模型与实际相机的不同
尽管用相机拍照过程来比喻OpenGL渲染过程非常适合。可是毕竟OpenGL是计算机软件行为，所以和真正的还是相机拍摄过程还是有非常多的不同之处。
3.1 物体和相机都能够随意移动
这个在前面已经说过了。
3.2 终于的“照片”能够是多次拍摄合成的
OpenGL的每一次glBegin(); …; glEnd(); 相当于一次拍摄。而终于的“照片”是多次拍摄的合成结果。并且每次拍摄都能够使用不同的场景、不同的相机位置、不同的视口….。
程序中能够无限次调用glBegin(); …; glEnd()进行拍摄。
3.3 特殊的投影方式—正投影
前面介绍的glFrustum()以非常接近实际相机的方式设置了可是范围与投影方式（透视投影）。
然而OpenGL毕竟是软件。灵活性要比实际相机强得多，它还提供了一种正投影的方式。这相当于照相机的镜头不是凸透镜，而是平面玻璃。现实中不可能存在这样的照相机。
void WINAPI glOrtho(
GLdouble left,
GLdouble right,
GLdouble bottom,
GLdouble top,
GLdouble zNear,
GLdouble zFar
);
这个函数确定的可视范围是一个平行于视线的长方体。同样也是在照相机坐标系中点定义坐标。
可视范围内的物体，不管近远，投影到近平面上后都不改变其大小。
4 相机模型使用建议
4.1 尽量让编程符合这个模型
照相机模型非常好的反映了OpenGL内部的运算过程，非常适合构造场景时使用它来帮助思考。程序中也尽量使用这样的模型去实现。除非特殊须要，避免不符合该模型的操作方法，比如一帧图像的多次渲染使用不同相机位置。可是使用同一个视口，这相当于拍摄了多张照片，然后叠加到了一起，easy让人摸不着头脑。
4.2 注意区分两大坐标系：世界坐标系和相机坐标系。
首先在世界坐标系中确定相机位置、视线方向、向上方向，然后在相机坐标系中确定可视范围。
世界坐标系的轴方向由程序猿随意定义，仅仅要满足笛卡尔右手定则就能够：比如数学上常见的三维坐标系。往往是z轴向上，而不是OpenGL中常见的y轴向上。
相机坐标系的原点，各轴方向则必须由相机，视线方向和向上方向来确定：原点必然位于相机本身，视线方向必然是z轴负方向。向上方向必然是y轴正向。
4.3 实例
以下是一个漫游观察四面体的小实例。
初始化时，设置可视空间和相机初始位置。
// 安排相机
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
gluLookAt(
3, 0, 1,
0, 0, 1,
0, 0, 1);
// 确定可视范围
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(100, 1, 0.5, 100);
::InvalidateRect(hWnd, NULL, TRUE);鼠标单击一下客户区，照相机就会绕z轴你是神旋转5度，可视空间不再改变。代码例如以下：
void OnLeftButtonDown(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
static float a = 0;
float x, y, z;
x = 3 * cos(a*3.14/180);
y = 3 * sin(a*3.14/180);
z = 1;
a += 5;
while(a > 360) {
a -= 360;
}
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
gluLookAt(x, y, z, 0, 0, 1, 0, 0, 1);
::InvalidateRect(hWnd, NULL, TRUE);
}实际的渲染代码为:
void OnPaint(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
// 绘制世界坐标系
glColor3f(1, 1, 1);
glBegin(GL_LINES);
glVertex3d(0, 0, 0);
glVertex3d(100, 0, 0);
glVertex3d(0, 0, 0);
glVertex3d(0, 100, 0);
glVertex3d(0, 0, 0);
glVertex3d(0, 0, 100);
glEnd();
// 在原点处。建立一个四面体，四个顶点分别位于三个轴上。和原点处。
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
glBegin(GL_TRIANGLES);
glColor3f(1, 0, 0);
glVertex3d(0, 1, 0);
glVertex3d(1, 0, 0);
glVertex3d(0, 0, 0);
glColor3f(0, 1, 0);
glVertex3d(1, 0, 0);
glVertex3d(0, 0, 2);
glVertex3d(0, 0, 0);
glColor3f(0, 0, 1);
glVertex3d(0, 0, 2);
glVertex3d(0, 1, 0);
glVertex3d(0, 0, 0);
glColor3f(1, 1, 0);
glVertex3d(1, 0, 0);
glVertex3d(0, 1, 0);
glVertex3d(0, 0, 2);
glEnd();
HDC hdc = ::GetDC(hWnd);
::SwapBuffers(hdc);
::ReleaseDC(hWnd, hdc);
}
执行截图：
