OpenGL之深入解析坐标系

一、坐标系

2D 笛卡尔坐标系（由 x、y 决定）
3D 笛卡尔坐标系（由 x、y、z 决定）

二、视口

glViewport(GLint x,GLint y,GLsizei width,GLsizei height)，对应屏幕区域的范围；
如下所示，对应全屏幕：

如下所示，对应屏幕一部分：

三、投影

概念
- 光源的出发点为投影中心；
- 投影中心与物体上各点的连线称为投影线；
- 接受投影的面，称为投影面；
- 过物体上各点的投影线与投影面的交点称为这些点的投影。
投影分为中心投影和平行投影两大类：
- 所有投影线都交于投影中心点的投影称为中心投影，透视图就是用这种投影方法绘制成的。
- 所有的投影线都互相平行的投影称为平行投影，平行投影又分为斜投影和正投影两种，当投影线倾斜于投影面时，称斜投影。
正投影是指平行投射线垂直于投影面。透视投影属于中心投影，透视投影图简称为透视图或透视，它是从某个投射中心将物体投射到单一投影面上所得到的图形。透视图与人们观看物体时所产生的视觉效果非常接近，透视图以渲染、配景，使之成为形象逼真的效果图。
如下所示：透视投影（左）和正投影（右）

四、OpenGL 的坐标系

① 左手坐标系与右手坐标系

在世界、物体、照相机空间是右手坐标系。
在规范化设备坐标系用的是左手坐标系。

② 视窗坐标系

视窗坐标也就是手机窗口对应的坐标系统，以左上角为原点，右下角对应手机的最大像素值的集合，如下图是一个像素为 320*480 的手机，那他右下角的坐标就是 (320, 480)。

③ 规格化设备坐标系

规格化设备坐标是以屏幕中心为原点，X 轴朝右，Y 轴朝上，所以左下角的坐标为(-1, -1)，右上角的坐标为(1,1)。当然这是 z 轴为 0 时的显示，实际上规格化设备坐标系统是要考虑 z 轴，所以由平面要转换成一个正方体，原点坐标为(0,0,0)，也就是这个立方体的中心，而它左上角离最近的那个顶点的坐标就是(1,1,1)，右下角离最远的那个顶点的坐标就是(-1,-1,-1)。

④ 裁剪坐标系

裁剪坐标是执行矩阵变换和透视投影之后，但在执行透视除法之前的坐标，超出裁剪空间的坐标会被丢弃。

⑤ 视觉坐标系

视觉坐标系是观察者的眼睛出发，朝手机设备看过去所能看到的，会有一个 z 轴的最近距离和最远距离，也就是 zNear 和 zFar，只有在这两者之间并且也满足 x 轴和 y 轴坐标在屏幕当中的坐标才会显示出来，越远的东西会显示得越小，产生透视的效果；

⑥ 世界坐标系

世界坐标系就是由用户构造的固定坐标系，方便描述这个坐标系下各种物体相对于原点的位置；

⑦ 惯性坐标系

惯性坐标系是指世界坐标系和物体坐标系转换的中间产物。惯性坐标系的原点和物体坐标系的原点重合，但惯性坐标系的轴和世界坐标系的轴平行；

⑧ 物体坐标系

物体坐标系：物体自己独有的坐标系；当物体旋转和移动的时候，这个坐标系也会发生相应的变化。

惯性坐标系是指世界坐标系和物体坐标系转换的中间产物。惯性坐标系的原点和物体坐标系的原点重合，但惯性坐标系的轴和世界坐标系的轴平行。
为什么要引入惯性坐标系？因为物体坐标系转换到惯性坐标系只需要旋转，从惯性坐标系转换到世界坐标系只需要平移。

五、坐标变换

OpenGL 最终渲染到屏幕上是 2D 的，所以只需要将 3D 坐标进行一系列的变换为 2D 坐标，整个过程如下图所示：

OpenGL 中只定义了裁剪坐标系、规范化设备坐标系和屏幕坐标系。而局部坐标系(模型坐标系)、世界坐标系和摄像机坐标系都是为了方便用户设计而自定义的坐标系，它们的关系如下图所示：

模型变换、视变换、投影变换由用户在顶点着色器中完成。
透视除法、视口变换由 OpenGL 在顶点着色器处理之后完成。

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一、坐标系

二、视口

三、投影

四、OpenGL 的坐标系

① 左手坐标系与右手坐标系

② 视窗坐标系

③ 规格化设备坐标系

④ 裁剪坐标系

⑤ 视觉坐标系

⑥ 世界坐标系

⑦ 惯性坐标系

⑧ 物体坐标系

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