c++ - 可变重力下的摄像机旋转和方向

Question

我正在尝试为第一人称的，基于鼠标外观的OpenGL实现相机 Controller 。当摄像机始终保持正常方向(摄像机向上 vector =世界Y轴)时，这是一个简单的问题。但是，我真的很难使用可以无缝地用于任何方向的相机正常工作。目的是允许玩家在整个星球上移动。另一个要求是，随着相机方向的变化，方向相对于方向保持相同。一个示例是，如果您绕着行星行走，则相对于地面的方向保持不变，因此当您从杆子的侧面“向下”走时，方向也会自动旋转。

到目前为止，我已经尝试了许多不同的方法来使此工作正常进行，但是正如我所看到的，应该有两种不同的方法来完成此工作。首先是根据来自世界轴的偏航角和俯仰角进行常规的相机旋转，然后通过相机方向转换结果的外观方向以获得最终的外观方向。第二种方法是基于计算的上，右 vector ，以偏航角和俯仰角旋转摄像机。向上 vector 在这里很容易；这只是方向。我没有找到正确的 vector ，尽管我发现它可以正常工作。

好的，这是这两种方法的代码。

通用代码

// m_orientation calculated from planet center to current position
m_horizontal += horizontal;
m_vertical += vertical;

while (m_horizontal > TWO_PI) {
    m_horizontal -= TWO_PI;
}

while (m_horizontal < -TWO_PI) {
    m_horizontal += TWO_PI;
}

if (m_vertical > MAX_VERTICAL) {
    m_vertical = MAX_VERTICAL;
}
else if (m_vertical < -MAX_VERTICAL) {
    m_vertical = -MAX_VERTICAL;
}

// code from either implementation

m_view = glm::lookAt(m_position, m_position + m_direction, m_orientation);

首先偏航，围绕世界坐标轴倾斜，然后进行变换

// check for m_orientation != WORLD_UP...
glm::vec3 axis = glm::normalize(glm::cross(WORLD_UP, m_orientation));
float angle_degrees = acosf(m_orientation.y) * RADS_TO_DEGREES;
glm::mat4 trans = glm::rotate(glm::mat4(), angle_degrees, axis);

// can also be determined with two rotation matrices about world axes, end result is identical
m_direction = glm::vec3(cosf(m_vertical) * sinf(m_horizontal),
                        sinf(m_vertical),
                        cosf(m_vertical) * cosf(m_horizontal));
m_direction = glm::vec3(trans * glm::vec4(m_direction));

关于适当的上下 vector 的偏航和俯仰的第二种方法

m_right = ??? // tried literally everything
glm::mat4 yaw = glm::rotate(glm::mat4(), m_horizontal, m_orientation);
glm::mat4 pitch = glm::rotate(glm::mat4(), m_vertical, m_right);
glm::mat4 trans = yaw * pitch;
m_direction = glm::vec3(trans[2]); // z axis

好的，这就是问题所在。第一种方法几乎可以完美工作，但是在行星南极附近(在〜15度方向=(0，-1,0)之内，效果越接近，效果越强)，相机会自动向南极旋转方向改变。因此，如果摄像机方向不变，则在南极附近，摄像机将正常工作。方向的任何变化都将导致相机向南极旋转。方向变化越大，相机旋转得越多。现在，我尝试从世界轴相机旋转中删除俯仰或偏航，并且这种效果仅在包含俯仰计算时才出现。仅偏航，相机便表现完美(没有任何俯仰控制)。据我所知，我从常规up =(0,1,0)到当前方向的转换是错误的。有什么帮助吗？

现在，另一种做事方式似乎可以正确地工作，但是我只是没有找到合适的正确方法。我尝试过的所有操作都会导致水平和垂直运动的异常行为。最明显的解决方案是，前一帧的方向与当前方向的叉积不能生成正确的 vector 。有什么好的 vector 的建议吗？

我也很高兴看到针对此问题的完全不同的解决方案。我知道这是可能的，但是没有任何搜索能给我一个好的解决方案。首先十分感谢。

编辑1:针对PawełStawarz尝试了更多方法

导致相机方向错误和鼠标移动异常。我确保矩阵乘法的顺序正确。我也尝试过移调。

m_view = glm::lookAt(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), m_direction, m_up);
m_view = trans * m_view; //trans is rotation from orientation=(0,1,0) to orientation=m_orientation

由于相机本身向南极旋转，因此导致与以前相同的问题。另外，垂直鼠标旋转不正确，会导致相机旋转。

m_view = glm::lookAt(glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), m_direction, m_up);
m_view = trans * m_view;
m_direction = glm::vec3(m_view[2]);

m_view = glm::lookAt(m_position, m_direction + m_position, m_orientation);

编辑2:使用RIGHT vector 方法，方向之间没有任何转换会更好一些。但是，这会导致摄像机偏航角以接近垂直方向(与垂直方向至少5度)的角度剧烈摆动。另外，俯仰的运动范围不受方向的调节，因此例如在行星的侧面，垂直运动被限制为直接在您的前面到您的后面(〜(0,1,0)到〜 (0，-1,0))。

glm::mat4 yaw = glm::rotate(glm::mat4(), m_horizontal * ONEEIGHTY_PI, m_orientation);
glm::mat4 pitch = glm::rotate(glm::mat4(), m_vertical * -ONEEIGHTY_PI, m_right);

glm::mat4 cam = pitch * yaw;

m_right = glm::vec3(cam[0]);
m_up = glm::vec3(cam[1]);
m_direction = glm::vec3(cam[2]);

m_view = glm::lookAt(m_position, m_direction + m_position, m_up);
m_vp = m_perspective * m_view;

Answer 1

解决了。需要不同的转换。请参阅here，以获得很好的解释。

glm::mat4 trans;
float factor = 1.0f;
float real_vertical = vertical;
m_horizontal += horizontal;
m_vertical += vertical;

while (m_horizontal > TWO_PI) {
    m_horizontal -= TWO_PI;
}

while (m_horizontal < -TWO_PI) {
    m_horizontal += TWO_PI;
}

if (m_vertical > MAX_VERTICAL) {
    m_vertical = MAX_VERTICAL;
}
else if (m_vertical < -MAX_VERTICAL) {
    m_vertical = -MAX_VERTICAL;
}

glm::quat world_axes_rotation = glm::angleAxis(m_horizontal * ONEEIGHTY_PI, glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
world_axes_rotation = glm::normalize(world_axes_rotation);
world_axes_rotation = glm::rotate(world_axes_rotation, m_vertical * ONEEIGHTY_PI, glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));

m_pole = glm::normalize(m_pole - glm::dot(m_orientation, m_pole) * m_orientation);

glm::mat4 local_transform;

local_transform[0] = glm::vec4(m_pole.x, m_pole.y, m_pole.z, 0.0f);
local_transform[1] = glm::vec4(m_orientation.x, m_orientation.y, m_orientation.z, 0.0f);
glm::vec3 tmp = glm::cross(m_pole, m_orientation);
local_transform[2] = glm::vec4(tmp.x, tmp.y, tmp.z, 0.0f);
local_transform[3] = glm::vec4(m_position.x, m_position.y, m_position.z, 1.0f);

world_axes_rotation = glm::normalize(world_axes_rotation);
m_view = local_transform * glm::mat4_cast(world_axes_rotation);
m_direction = -1.0f * glm::vec3(m_view[2]);
m_up = glm::vec3(m_view[1]);
m_right = glm::vec3(m_view[0]);

m_view = glm::inverse(m_view);