前言

前面一些章节讲解了图形学的比较原理性的内容，这一章节咱就实战一下，封装一个简易的摄像机类，看看最基本的摄像机是如何一步步实现出来的！

正文

定义摄像机的操作方式

键盘操作

规定使用WSAD模拟摄像机的前后左右移动。即如下：

• W按键，使得摄像机前进，也就是朝-Z轴方向移动
• S按键，使得摄像机后退，也就是朝Z轴方向移动
• A按键，使得摄像机向左边移动，也就是朝-X轴方向移动
• D按键，使得摄像机向右边移动，也就是朝X轴方向移动

鼠标操作

规定按住鼠标右键：上下移动，类似点头；左右移动，类似左右摇头。类似下图的：pitch和yaw操作

由于咱们模拟的是射击类游戏的镜头，所以绕Z轴旋转的Roll操作，咱们并不涉及，这里不多阐述，其实原理大同小异！

定义摄像机类核心数据

最基本的核心数据如下图所示，由于是使用glm数学库表示的向量，glm::vec3表示三维向量。

视图矩阵回顾：

通过摄像机正向变换过程的逆变换定义，正向过程如下：

假设正向过程定义为$M=T\ast R$，R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵，则视图矩阵表示为M的逆过程，也就是：$M^{-1}=R^{-1}\ast T^{-1}$

回顾一下，R是通过摄像机三个基向量 $\vec{r}、\vec{u}、\overrightarrow{-}f$ 定义而来，如下：
$$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_x& u_x& -f_x& 0\\ r_y& u_y& -f_y& 0\\ r_z& u_z& -f_z& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$
T是通过摄像机的位置 $P=(p_x,p_y,p_z)$ 定义而来，如下：
$$T=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& p_x\\ 0& 1& 0& p_y\\ 0& 0& 1& p_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

因而得到最终的$M^{-1}$矩阵，如下：
$$\begin{array}{rl}{M}^{-1}& =\left[\begin{array}{cccc}{r}_x& r_y& r_z& 0\\ u_x& u_y& u_z& 0\\ -f_x& -f_y& -f_z& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\ast \left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -p_x\\ 0& 1& 0& -p_y\\ 0& 0& 1& -p_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\\ & =\left[\begin{array}{cccc}{r}_x& r_y& r_z& -\vec{r}\cdot \vec{p}\\ u_x& u_y& u_z& -\vec{u}\cdot \vec{p}\\ -f_x& -f_y& -f_z& \vec{f}\cdot \vec{p}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}$$

模拟摄像机的移动

既然我们知道视图变换矩阵，由哪些变量控制，那咱们要通过WASD按键模拟摄像机的前进、后退、左移、右移，其实就对应着控制摄像机的位置向量而已。

那么究竟往什么方向移动呢？其实就受到上述坐标基向量 $\vec{f}、\vec{r}$ 的影响了！W对应 $\vec{f}$ 方向，S对应$-\vec{f}$方向，A对应 $-\vec{r}$ 方向，D对应 $\vec{r}$ 方向！

既然方向有了，那么依次根据方向走多少呢？这个其实咱们可以通过实践进行调整，设置一个合理的步长即可！这里也就对应上述类中的 $move\_speed\_$变量！

这里给出一个基本逻辑代码贴出：

glm::vec3 moveDirection = { 0.0f, 0.0f, 0.0f };

glm::vec3 front = front_;
glm::vec3 right = glm::normalize(glm::cross(front_, top_));

if (move_state_ & MOVE_FRONT) 
{
    moveDirection += front;
}

if (move_state_ & MOVE_BACK) 
{
    moveDirection += -front;
}

if (move_state_ & MOVE_LEFT) 
{
    moveDirection += -right;
}

if (move_state_ & MOVE_RIGHT) 
{
    moveDirection += right;
}

if (moveDirection != glm::vec3(0.0, 0.0, 0.0)) 
{
    moveDirection = glm::normalize(moveDirection);
    position_ += move_speed_ * moveDirection;
}

这里需要注意的是，在实现按键控制摄像机移动时，我们需要考虑多键位同时按下的情况，也就是有可能存在多个方位叠加的情况，所以上述是通过位运算进行判定移动状态！

模拟摄像机的旋转

我们思考一个问题，旋转代表什么含义？

通过上述的视图矩阵回顾我们知道主要由三个基向量决定，但是我们知道只要知道两个就可以叉乘得出另外一个。

我们又知道第三人称的射击类游戏，一般摄像机的穹顶 $\overrightarrow{Top}$ 方向都是固定的为 $(0,1,0)$，这样推论的话，也就一个$\vec{f}$ 方向咱们是可以移动，也就是摄像机看向的方向，所以咱们需要通过这个向量来定义摄像机的旋转，示意图如下：

咱们观察右侧的公式，咱们通过引入pitch和yaw张角，从而定义$\overrightarrow{front}$向量，也就是摄像机观察的方向向量。

这里我们注意一下，一般来说射击类游戏的摄像机pitch的角度是由范围限制的，也就是$(-90,90)$ °的范围！为了保险起见，一般都是限制在$(-89,89)$°之间。

既然咱们可以通过约束$\vec{f}ront$ 向量，来模拟摄像机的旋转，那么咱们就究竟是如何通过鼠标的移动转化的呢？

其实很简单，鼠标如果向上移动，就表示pitch角度变大，向下移动就表示pitch角度变小；同理，鼠标如果向左移动，就表示yaw角度变小，向右移动就表示yaw角度变大。至于变大或变小多少，就可以自定义一个合理的步长即可，类似上述的 $mouse\_sensitivity\_$ 变量！

这里贴出pitch和yaw的逻辑代码片段，仅供参考：

void Camera::Pitch(int yoffset) 
{
	pitch_angle_ += yoffset * mouse_sensitivity_;

	if (pitch_angle_ >= 89.0f)
	{
		pitch_angle_ = 89.0f;
	}

	if (pitch_angle_ <= -89.0f)
	{
		pitch_angle_ = -89.0f;
	}

	front_.y = sin(glm::radians(pitch_angle_));
	front_.x = cos(glm::radians(yaw_angle_)) * cos(glm::radians(pitch_angle_));
	front_.z = sin(glm::radians(yaw_angle_)) * cos(glm::radians(pitch_angle_));

	front_ = glm::normalize(front_);
}

void Camera::Yaw(int xoffset) 
{
	yaw_angle_ += xoffset * mouse_sensitivity_;

	front_.y = sin(glm::radians(pitch_angle_));
	front_.x = cos(glm::radians(yaw_angle_)) * cos(glm::radians(pitch_angle_));
	front_.z = sin(glm::radians(yaw_angle_)) * cos(glm::radians(pitch_angle_));

	front_ = glm::normalize(front_);
}

于是咱们就大功告成了啊！如果需要学习相关代码的小伙伴，建议点击这里学习哦，如果对你有用的话，建议给仓库点个Start哦，感谢各位老铁们！

结尾：喜欢的小伙伴点点关注+赞哦!

你们的点赞就是我创作的最大动力！希望对各位小伙伴能够有所帮助哦，永远在学习的道路上伴你而行， 我是航火火，火一般的男人！