A First-Person Camera

现在开始扩展Camera基类，实现一个第一人称的camera，这种类型的camera可以通过鼠标和键盘进行控制。通过W和S键可以沿着direction向量分别向前和向后移动camera。按键A和D沿着right向量“扫射”（水平移动camera）。使用鼠标控制camera的俯仰和偏航移动：垂直移动鼠标执行camera的俯仰操作，水平移动鼠标执行camera的偏航操作。其中，俯仰是指绕着camera的right向量进行旋转，而偏航则绕着坐标轴的y轴旋转。这是第一人称camera的惯例方式，但是这种camera并不能用于所有的情况，比如，某个游戏中需要camera能在空间中沿着z轴滚动（纵向旋转）。
列表13.3列出了FirstPersonCamera类的头文件。

列表13.3 The FirstPersonCamera.h Header File

#pragma once#include "Camera.h"namespace Library
{class Keyboard;class Mouse;class FirstPersonCamera : public Camera{RTTI_DECLARATIONS(FirstPersonCamera, Camera)public:FirstPersonCamera(Game& game);FirstPersonCamera(Game& game, float fieldOfView, float aspectRatio, float nearPlaneDistance, float farPlaneDistance);virtual ~FirstPersonCamera();const Keyboard& GetKeyboard() const;void SetKeyboard(Keyboard& keyboard);const Mouse& GetMouse() const;void SetMouse(Mouse& mouse);float& MouseSensitivity();float& RotationRate();float& MovementRate();        virtual void Initialize() override;virtual void Update(const GameTime& gameTime) override;static const float DefaultMouseSensitivity;static const float DefaultRotationRate;static const float DefaultMovementRate;        protected:float mMouseSensitivity;float mRotationRate;float mMovementRate;        Keyboard* mKeyboard;Mouse* mMouse;private:FirstPersonCamera(const FirstPersonCamera& rhs);FirstPersonCamera& operator=(const FirstPersonCamera& rhs);};
}

FirstPersonCamera类中包含了表示鼠标和键盘的成员变量，并提供了访问和修改这些变量的公有成员函数。但是在FirstPersonCamera的Initialize()函数中，试图通过查询service container获取鼠标和键盘。用于修改鼠标和键盘变量的成员函数只是简单地重写这些设置，甚至通过指定NULL值禁用鼠标和键盘控制。
还包含了用于表示camera移动和旋转的速率，以及对鼠标控制的响应敏感度。变量“rate”表示在1秒内camera移动或旋转的单位长度。鼠标敏感度支持增强或抑制对鼠标输入的响应。
列表13.4列出FirstPersonCamera实现中最值得关注的部分代码。本书的配套网站上提供了完成的实现代码。

列表13.4 The FirstPersonCamera Class Implementation (Abbreviated)

#include "FirstPersonCamera.h"
#include "Game.h"
#include "GameTime.h"
#include "Keyboard.h"
#include "Mouse.h"
#include "VectorHelper.h"namespace Library
{RTTI_DEFINITIONS(FirstPersonCamera)const float FirstPersonCamera::DefaultRotationRate = XMConvertToRadians(1.0f);const float FirstPersonCamera::DefaultMovementRate = 10.0f;const float FirstPersonCamera::DefaultMouseSensitivity = 100.0f;FirstPersonCamera::FirstPersonCamera(Game& game): Camera(game), mKeyboard(nullptr), mMouse(nullptr), mMouseSensitivity(DefaultMouseSensitivity), mRotationRate(DefaultRotationRate), mMovementRate(DefaultMovementRate){}FirstPersonCamera::FirstPersonCamera(Game& game, float fieldOfView, float aspectRatio, float nearPlaneDistance, float farPlaneDistance): Camera(game, fieldOfView, aspectRatio, nearPlaneDistance, farPlaneDistance), mKeyboard(nullptr), mMouse(nullptr),mMouseSensitivity(DefaultMouseSensitivity), mRotationRate(DefaultRotationRate), mMovementRate(DefaultMovementRate){}FirstPersonCamera::~FirstPersonCamera(){mKeyboard = nullptr;mMouse = nullptr;}void FirstPersonCamera::Initialize(){mKeyboard = (Keyboard*)mGame->Services().GetService(Keyboard::TypeIdClass());mMouse = (Mouse*)mGame->Services().GetService(Mouse::TypeIdClass());Camera::Initialize();}void FirstPersonCamera::Update(const GameTime& gameTime){XMFLOAT2 movementAmount = Vector2Helper::Zero;if (mKeyboard != nullptr){if (mKeyboard->IsKeyDown(DIK_W)){movementAmount.y = 1.0f;}if (mKeyboard->IsKeyDown(DIK_S)){movementAmount.y = -1.0f;}if (mKeyboard->IsKeyDown(DIK_A)){movementAmount.x = -1.0f;}if (mKeyboard->IsKeyDown(DIK_D)){movementAmount.x = 1.0f;}}XMFLOAT2 rotationAmount = Vector2Helper::Zero;if ((mMouse != nullptr) && (mMouse->IsButtonHeldDown(MouseButtonsLeft))){LPDIMOUSESTATE mouseState = mMouse->CurrentState();            rotationAmount.x = -mouseState->lX * mMouseSensitivity;rotationAmount.y = -mouseState->lY * mMouseSensitivity;}float elapsedTime = (float)gameTime.ElapsedGameTime();XMVECTOR rotationVector = XMLoadFloat2(&rotationAmount) * mRotationRate * elapsedTime;XMVECTOR right = XMLoadFloat3(&mRight);XMMATRIX pitchMatrix = XMMatrixRotationAxis(right, XMVectorGetY(rotationVector));XMMATRIX yawMatrix = XMMatrixRotationY(XMVectorGetX(rotationVector));ApplyRotation(XMMatrixMultiply(pitchMatrix, yawMatrix));XMVECTOR position = XMLoadFloat3(&mPosition);XMVECTOR movement = XMLoadFloat2(&movementAmount) * mMovementRate * elapsedTime;XMVECTOR strafe = right * XMVectorGetX(movement);position += strafe;XMVECTOR forward = XMLoadFloat3(&mDirection) * XMVectorGetY(movement);position += forward;XMStoreFloat3(&mPosition, position);Camera::Update(gameTime);}
}

在列表13.4中，首先设置了rotation rate，movement rate，以及mouse sensitivity的默认值。其中使用了DiretXMath库的XMConvertToRadians()函数，用于把degress转换成radians。而XMConvertToDegrees()函数则radians转换成degrees。
在Initialize()函数中演示了从service container中获取mouse和keyboard services的方法。需要注意的是这两个services很可能不存在，在这种情况下返回值为NULL，意味着在该component中不需要键盘的鼠标的功能。否则你应该assert在service container中一定存在这些对象。
Update()函数中包含了FirstPersonCamera类实现代码中的主要部分。首先检查W，S，A和D按键是否按下；如果按下了，就保存值1或-1，用于表示移动的方向。键盘是是一种数字形式的，按键要么按下要么没有按下，因此无法表示一个变量，比如游戏手柄上的模拟触发器或者摇杆。因此，成员变量mMovementRate用于定义camera运动的幅度（尽管理论上可以根据按键被按下的时间缩放幅度值）。
接下来，从鼠标移动（如果鼠标左键被按住不放）过程中获取旋转量。这些数量由成员变量mRotationRate与每一帧的elapsed time相乘得到。在执行乘法运算之前，需要把rotationAmount变量加载到一个XMVECTOR对象中，以便利用SIMD运算的优势。使用elapsed time变量是为了与计算帧率相互独立。
有了旋转数量值之后，就可以构建用于camera的偏航和俯仰旋转矩阵。俯仰矩阵通过调用XMMatrixRotationAxis()函数进行创建，该函数可以构建一个绕任意轴旋转的矩阵。对于俯仰矩阵，是绕着camera的right向量旋转。XMMatrixRotationAxis()函数中使用了XMVectorGetY()函数的返回值作为第二个参数。调用XMVectorGetY()函数可以从一个无法访问内部成员的XMVECTOR对象中获取Y分量值。偏航矩阵则通过调用XMMatrixRotationY()函数进行创建，该函数创建了一个绕y轴旋转的矩阵。在DirectXMath库中还有类似的矩阵用于创建围绕x轴和z轴旋转的矩阵。偏航和俯仰矩阵在传送给Camera::ApplyRotation()函数之前，需要先通过乘法运算进行串联。
接下来，使用成员变量mMovementRate和elapsed time对movementAmount进行乘法运算，并把结果存储到一个XMVECTOR类型的movement向量中。然后把camera的right向量与movement向量的X分量进行乘法运算，得到strafe向量。再把该向量值加到camera的position中。对于forward movement，执行同样的操作过程，把最终的position再写回到成员变量Camera::mPosition中。

总结

本章首先创建了一个基类component用于支持一个虚拟camere的通用部分。然后扩展基类创建了一个支持使用鼠标和键盘控制的第一人称camera。在这个过程中，练习了上一章所讨论的component和services模块，并温习了一些3D camera原理和DirectXMath的使用方法。
到目前为止，所有的工作都已经准备就绪。在下一章，就可以正式开始在屏幕上渲染3D场景了。

Exercises

1. Create an orbit camera similar to the one found in NVIDIA FX Composer. Note: Visualizing
the output of your camera will be difficult without any 3D rendering (which the next chapter
covers). You can use the SpriteBatch/SpriteFont system to output your camera’s data or
employ the Grid component on the companion website. This component renders a
customizable reference grid at the world origin.

1.创建一个与NVIDIA FX Composer中类似的orbit camera。注意：在没有任何3D渲染（下一章才会讲到）的情况要显示camera的输出是很困难的。可以使用SpriteBatch/SpriteFont系统输出camera的相关数据，或者使用本书配套网站上提供的Grid component。这个component可以在渲染一个自定义的参考网格。

本章配套学习代码

http://download.csdn.net/detail/chenjinxian_3d/9584778

首先在FirstPersonCamera的基础上，增加了一个OrbitCamera，并添加了一个Grid组件用于演示各种Camera的操作结果。