openGL实现第一人称视角

最近做的一个题目要求用openGL实现一个漫游功能，虽然不知道这个漫游是不是指第一人称（其实我觉得第三人称俯视的那种也算），不过都差不多

主要使用openGL的gluLookAt函数，通过计算球面坐标来实现

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目录

gluLookAt()

实现过程

demo

最终效果

 

gluLookAt()

void gluLookAt( GLdouble eyex, GLdouble eyey, GLdouble eyez, GLdouble centerx, GLdouble centery, GLdouble centerz, GLdouble upx, GLdouble upy, GLdouble upz);

可以看到gluLookAt函数中有三组三维坐标

第一组eye xyz是摄像机的位置，第二组center xyz是摄像机看向的位置，第三组up xyz是向上向量

注意第一组和第二组是坐标，而第三组是向量

可以这么理解

第一组：脑袋/眼睛的位置

第二组：眼睛看向的位置

第三组：头顶的方向（躺着和坐着看一个物体，看到的景象是不同的）

一开始有人跟我这么解释“up为头顶方向”的时候，我并不理解，觉得如果抬头看一个物体的话，那么头顶的位置不也得向后倾斜？emmm，其实头顶方向这个说法并不严谨，应该说你正视前方时头顶的方向，或者你理解成看东西的时候眼珠子动脑袋不动

 

就比如上面这两个小人，两人眼睛的位置是相同的（你可以认为这个人是独眼怪），眼睛看向的位置是相同的，但头顶的方向是不同的，看到的图像也是不同的

 

实现的思路是根据鼠标相对于屏幕中心点的距离来控制转头的幅度

glutPassiveMotionFunc(yourFunc0)；//不按鼠标移动 glutMotionFunc(yourFunc1);//按鼠标移动

实现过程

openGL两个鼠标事件返回的鼠标坐标都以左上角为原点，如下图，所以会导致最后实现的第一人称视角y轴反转，这个很容易解决，计算出的角度加一个负号或者处理一下屏幕坐标将原点变为左下角。

//不按鼠标移动 void onMouseMovePassive(int screen_x,int screen_y) { //相对于屏幕中心点的偏移量 float offsetx = screen_x - centerpoint_x; float offsety = screen_y - centerpoint_y; //偏移量转化为角度 screenrate_x = offsetx / centerpoint_x *PI;//水平方向 screenrate_y = offsety / centerpoint_y *PI/2;//竖直方向 //水平方向 look_x_temp = r * sin(screenrate_x); look_z_temp = r * cos(screenrate_x);//最后使用时要和相机坐标相加/减 //竖直方向 look_y = r * sin(-screenrate_y); float r_castlenght = abs(r * cos(screenrate_y));//投影在xz面的长度 //根据长度计算真正的look_x,look_z look_x = r_castlenght * look_x_temp / r; look_z = r_castlenght * look_z_temp / r; }

因为在水平方向最大要能转180度，而竖直方向最大转90度，所以鼠标相对中心点移动比例转换成角度时，水平方向要乘以180度，竖直方向乘以90度

（这个第一人称仍然有它的问题，比如鼠标移动到边框后不可继续移动。以往我们在FPS游戏中的视角都是只要鼠标在往右拖动就可以一直转向，但由于我们使用的是鼠标相对中心点的偏移，导致最大只能转向180度，将水平方向偏移角度的PI增大几倍可以一定程度缓解这个问题，但同时也会使得“灵敏度”过高，目前还没有想到一个好的解决办法）

 

因为gluLookAt参数的第一组和第二组点都是坐标，第一人称摄像机是可以移动的，我们要计算第二组摄像机看向的点，就要计算摄像机看向的点相对于摄像机的位置

计算球面坐标

先看水平方向，a为scrrenrate_x，通过屏幕坐标在水平方向上的偏移量计算出的角度，先从y轴俯视xoz平面

摄像机朝向为Z轴负方向

 

可以得到水平方向上相机看向的点的xz坐标为（ r*sin(a)，r*cos(a) ），r随便设一个数字即可

将Y竖直方向考虑进来，b即是screenrate_y，根据屏幕坐标在水平方向上偏移量计算出的角度，

y = r*sin(b)

半径r在xoz平面的投影长度r_castlength为abs(r*cos(b))，即原点到(x,o,z)点的距离，结合之前在水平方向上求出的点（x',0,z'）

x' =  r*sin(a)，z' = r*cos(a) ，相似三角形就能求出x，z的值

得到球面坐标（x,y,z）是相对于相机的坐标

在gluLookAt函数中将相对于摄像机的坐标变为世界坐标系中的坐标

gluLookAt(cpos_x, cpos_y, cpos_z, cpos_x + look_x, look_y+look_y, cpos_z - look_z, 0, 1, 0);

其中cpos_xyz是摄像机的坐标，因为我的相机因为其他功能需求的原因，初始是面朝Z轴负方向，所以第6个参数是cpos_z - look_z。如果没有特殊需求，为了方便理解初始面还是面朝Z正方向比较不容易出错

 

相机移动就很简单了，glutKeyboardFunc设置键盘函数，根据上面计算xoz面的坐标来控制WASD往对应方向移动

因为Z轴反过来了所以想起来有些绕，为了保险还是在纸上自己画一画对照着做。

float step = 0.01; void keyboardFunc(unsigned char key,int x,int y) { if (key == 'w') { //朝镜头方向前进look_x,look_z cpos_x += look_x_temp * step; cpos_z -= look_z_temp * step; } if (key == 's') { //后退 cpos_x -= look_x_temp * step; cpos_z += look_z_temp * step; } if (key == 'a') { //向左移动 (x,y)对应(y,-x) //则（look_x,look_z）对应的为(-look_z,look_x) //Z轴取反 cpos_x += -look_z_temp * step; cpos_z -= look_x_temp * step; } if (key == 'd') { //向右移动 (x,y)对应(-y,x) //则（look_x,look_z）对应的为(look_z,-look_x) //Z轴取反 cpos_x += look_z_temp * step; cpos_z -= -look_x_temp * step; } }

因为使用的是只考虑平面的look_x_temp,look_z_temp，而不是根据球面坐标计算的look_x,look_z，所以不会有抬头低头速度不一样、斜着走比正着走快(因为根本没法斜着走hhhhh)等问题

 

demo

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #define WindowWidth 400 #define WindowHeight 400 #define WindowTitle "第一人称视角漫游demo" #include <glut.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <math.h> #include<iostream> using namespace std; float PI = 3.14; //视角控制 float look_x = 0, look_y = 0, look_z = 0, look_x_temp = 0, look_z_temp = 0; float screenrate_x, screenrate_y;//鼠标屏幕坐标相对于中心点移动的比例 float r = 10; //相机位置 float cpos_x = 0, cpos_y = 2, cpos_z = 10; int centerpoint_x = WindowWidth / 2, centerpoint_y = WindowHeight / 2; void display(void) { // 清除屏幕 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // 设置视角 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluPerspective(75, 1, 1, 30); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); gluLookAt(cpos_x, cpos_y, cpos_z, cpos_x + look_x, cpos_y + look_y, cpos_z - look_z, 0, 1, 0);//注意因为相机是面朝z负方向，所以cpos_z - lookz //gluLookAt(cpos_x, cpos_y, cpos_z, 0, 0, 0, 0, 1, 0);//原固定视角 //蓝色地面 glColor3f(0.0, 0.0, 1.0); glBegin(GL_QUADS); glVertex3f(-8.0f, 0.0f, -8.0f); glVertex3f(-8.0f, 0.0f, 8.0f); glVertex3f(8.0f, 0.0f, 8.0f); glVertex3f(8.0f, 0.0f, -8.0f); glEnd(); //红色墙面 glColor3f(1.0, 0.0, 0.0); glBegin(GL_QUADS); glVertex3f(8.0f, 0.0f, -8.0f); glVertex3f(8.0f, 8.0f, -8.0f); glVertex3f(-8.0f, 8.0f, -8.0f); glVertex3f(-8.0f, 0.0f, -8.0f); glEnd(); glutSwapBuffers(); } void myIdle(void) { display(); } //不按鼠标移动事件 void onMouseMovePassive(int screen_x, int screen_y) { float offsetx = screen_x - centerpoint_x; float offsety = screen_y - centerpoint_y; screenrate_x = offsetx / centerpoint_x * PI;//用于摄像机水平移动 screenrate_y = offsety / centerpoint_y * PI / 2;//用于摄像机上下移动 //水平方向 look_x_temp = r * sin(screenrate_x); look_z_temp = r * cos(screenrate_x);//最后使用时要和相机坐标相加/减 //竖直方向 look_y = r * sin(-screenrate_y); float r_castlenght = abs(r * cos(screenrate_y));//投影在xz面的长度 //根据长度计算真正的look_x,look_z look_x = r_castlenght * look_x_temp / r; look_z = r_castlenght * look_z_temp / r; } //按下鼠标移动事件 void onMouseDownAndMove(int x, int y) { } float step = 0.01; void keyboardFunc(unsigned char key, int x, int y) { if (key == 'w') { //朝镜头方向前进look_x,look_z cpos_x += look_x_temp * step; cpos_z -= look_z_temp * step; } if (key == 's') { cpos_x -= look_x_temp * step; cpos_z += look_z_temp * step; } if (key == 'a') { //左 (x,y)对应(y,-x) //则（look_x,look_z）对应的为(-look_z,look_x) //Z轴取反 cpos_x += -look_z_temp * step; cpos_z -= look_x_temp * step; } if (key == 'd') { //右 (x,y)对应(-y,x) //则（look_x,look_z）对应的为(look_z,-look_x) //Z轴取反 cpos_x += look_z_temp * step; cpos_z -= -look_x_temp * step; } } int main(int argc, char* argv[]) { glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA); glutInitWindowPosition(100, 100); glutInitWindowSize(WindowWidth, WindowHeight); glutCreateWindow(WindowTitle); glutPassiveMotionFunc(onMouseMovePassive); glutMotionFunc(onMouseDownAndMove); glutKeyboardFunc(keyboardFunc); glutDisplayFunc(&display); glutIdleFunc(&myIdle); glutMainLoop(); return 0; }

 

最终效果