OpenGL ES投影和视图变换

上篇文章初始Android中的OpenGL 介绍了 Android 中的 OpenGL 以及坐标映射等，在 OpenGL ES 环境中，通过投影和相机视图，显示的绘制对象更接近于眼睛看到的实物，这种呈现方式是通过对绘制对象坐标进行数学转换来完成，这里介绍一下投影和相机视图相关知识。

主要内容如下：

投影类型
定义投影
定义相机视图
应用投影和相机视图
运行效果

投影类型

OpenGL 中主要有两种投影模式，分别是正交投影和透视投影，其特点分别如下：

透视投影：符合人眼习惯，呈现近大远小的效果。
正交投影：所有物体在投影平面上保持原来的大小。

透视投影的视景体是截锥体，正交投影的视景体是长方体，透视投影和正交投影示意图如下：

两者对应的矩阵计算函数如下：

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

上述函数参数中 m 用来存储对应的投影矩阵数据，near 和 far 分别表示视景体的近平面、远屏幕距离，left、right、top、bottom 对应的是远平面的参数。

定义投影

根据上一小节内容，这里使用透视投影，填充投影矩阵使用 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)
}

上述代码填充了一个投影矩阵projectionMatrix，其变化参考如下动图：

定义相机视图

相机视图顾名思义就相当于站在相机的角度观察某个物体，使用Matrix.setLookAtM方法来填充视图矩阵，关键参数主要是相机位置、目标位置和相机的正上方向量，然后将投影矩阵和视图矩阵合并为vPMatrix，如下：

 1 override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
 2    // 绘制当前frame，用于渲染处理具体的内容
 3    Log.d(tag, "onDrawFrame")
 4
 5    // 设置相机位置（视图矩阵）
 6    Matrix.setLookAtM(viewMatrix,0,
 7                  0.0f,0.0f,5.0f, // 相机位置
 8                  0.0f,0.0f,0.0f, // 目标位置
 9                  0.0f,1.0f,0.0f) // 相机正上方向量
10    // 计算投影和视图变换
11    Matrix.multiplyMM(vPMatrix,0,projectionMatrix,0,viewMatrix,0)
12
13    // 具体绘制
14    triangle.draw(vPMatrix)
15 }

如上案例中相机位置 z 坐标为只能在 near 和 far 之间，也就是必须在 3 和 7 之间，不能在其范围外观察，参考如下动图：

应用投影和相机视图

为了适应投影和视图变换，修改上一篇中的着色器代码如下：

// default
  attribute vec4 vPosition;
  3void main() {
    gl_Position = vPosition;
  }
// 使用投影和视图变换
 uniform mat4 uMVPMatrix;
 attribute vec4 vPosition;
 void main() {
    gl_Position = uMVPMatrix * vPosition;
 }

将上一小节中计算得到的的vPMatrix矩阵传入着色器即可：

 1  fun draw(mvpMatrix: FloatArray) {
 2    // 获取attribute变量的地址索引
 3    // get handle to vertex shader's vPosition member
 4    positionHandle = GLES20.glGetAttribLocation(programHandle, "vPosition").also {
 5        // enable vertex attribute，默认是disable
 6        GLES20.glEnableVertexAttribArray(it)
 7        GLES20.glVertexAttribPointer(
 8            it,
 9            COORDINATE_PER_VERTEX,
10            GLES20.GL_FLOAT,
11            false,
12            vertexStride,
13            vertexBuffer
14        )
15    }
16    // get handle to fragment shader's vColor member
17    colorHandler = GLES20.glGetUniformLocation(programHandle, "vColor").also {
18        GLES20.glUniform4fv(it, 1, color, 0)
19    }
20
21    // get handle to shape's transformation matrix
22    vPMatrixHandle = GLES20.glGetUniformLocation(programHandle, "uMVPMatrix")
23    // Pass the projection and view transformation to the shader
24    GLES20.glUniformMatrix4fv(vPMatrixHandle, 1, false, mvpMatrix, 0)
25
26    // draw triangle
27    GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, vertexCount)
28    GLES20.glDisableVertexAttribArray(positionHandle)
29 }

到此通过代码改造应用投影和相机视图，解决了横竖屏切换的变形问题，这种变形自然可以延伸到其他领域，比如OpenGL渲染视频时的视频比例等。