Question

要实现3ds max中使用的相机平移效果，必须具备哪些数学条件？

在3ds max中，光标和网格之间的距离在整个移动过程（mouse_down + mouse_motion + mouse_up）中始终保持不变。

我幼稚而失败的尝试一直是尝试通过使用dt（帧时间）乘以一些硬编码的常数来将相机移动到XY平面上，结果确实很丑陋而且很直观。

到目前为止，我得到的代码是：

def glut_mouse(self, button, state, x, y):
    self.last_mouse_pos = vec2(x, y)
    self.mouse_down_pos = vec2(x, y)

def glut_motion(self, x, y):
    pos = vec2(x, y)
    move = self.last_mouse_pos - pos
    self.last_mouse_pos = pos
    self.pan(move)

def pan(self, delta):
    forward = vec3.normalize(self.target - self.eye)
    right = vec3.normalize(vec3.cross(forward, self.up))
    up = vec3.normalize(vec3.cross(forward, right))

    if delta.x:
        right = right*delta.x
    if delta.y:
        up = up*delta.y

    self.eye+=(right+up)
    self.target+=(right+up)

您能解释一下3dsmax中摄像机平移的数学原理吗？

编辑：

@ Rabbid76最初已经回答了我的问题，但是仍然有一种情况，他的算法无法正常工作。从空的空间开始平移的情况不能正确处理（否则，当深度缓冲值取far值= 1.0时，否则）。在3dsmax中，无论深度缓冲区的值是什么，在任何情况下都可以正确处理摇摄。

Answer 1

您的解决方案适用于正射投影，但不适用于透视投影。请注意，在“透视投影”中，投影矩阵描述了从针孔相机中看到的世界3D点到视口的2D点的映射。

眼睛的位移量和目标位置取决于在视口上拖动的对象的深度。

如果对象靠近眼睛位置，则视口上的平移会导致眼睛和目标位置的位移很小

如果从物体到眼睛的距离很远，则视口上的平移会导致眼睛和目标位置的大位移：

要执行所需的操作，您必须知道视口的大小，视图矩阵和投影矩阵：

self.width   # width of the viewport
self.height  # height of the viewport
self.view    # view matrix
self.proj    # prjection matrix

更改pane方法，使其接收新旧鼠标位置。注意y轴必须翻转（self.height-y）。使用格式类型GL_DEPTH_COMPONENT通过glReadPixels获取命中点（对象）的深度：

def glut_mouse(self, button, state, x, y):
    self.drag = state == GLUT_DOWN
    self.last_mouse_pos = glm.vec2(x, self.height-y)
    self.mouse_down_pos = glm.vec2(x, self.height-y)
    if self.drag:
        depth_buffer = glReadPixels(x, self.height-y, 1, 1, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT)
        self.last_depth = depth_buffer[0][0]
        print(self.last_depth)

def glut_motion(self, x, y):
    if not self.drag:
       return
    old_pos = self.last_mouse_pos
    new_pos = glm.vec2(x, self.__vp_size[1]-y)
    self.last_mouse_pos = new_pos 
    self.pan(self.last_depth, old_pos, new_pos)

def pan(self, depth, old_pos, new_pos):
    # .....

鼠标位置在窗口空间中给出一个位置，其中z坐标是命中点或对象的深度：

wnd_from    = glm.vec3(old_pos[0], old_pos[1], float(depth))
wnd_to      = glm.vec3(new_pos[0], new_pos[1], float(depth))

此位置可以通过glm.unProject转换为世界空间：

vp_rect     = glm.vec4(0, 0, self.width, self.height)
world_from  = glm.unProject(wnd_from, self.view, self.proj, vp_rect)
world_to    = glm.unProject(wnd_to, self.view, self.proj, vp_rect)

眼睛的世界空间位移和目标位置是从旧世界到新世界的距离：

world_vec   = world_to - world_from

最后计算新的眼睛和目标位置并更新视图矩阵：

self.eye    = self.eye - world_vec
self.target = self.target - world_vec
self.view   = glm.lookAt(self.eye, self.target, self.up)

我使用以下示例测试了代码：

预览：

完整的python代码：

import os
import math
import numpy as np
import glm
from OpenGL.GLUT import *
from OpenGL.GL import *
from OpenGL.GL.shaders import *
from OpenGL.arrays import *
from ctypes import c_void_p

class MyWindow:

    __caption = 'OpenGL Window'
    __vp_size = [800, 600]
    __vp_valid = False
    __glut_wnd = None

    __glsl_vert = """
        #version 450 core

        layout (location = 0) in vec3 a_pos;
        layout (location = 1) in vec3 a_nv;
        layout (location = 2) in vec4 a_col;

        out vec3 v_pos;
        out vec3 v_nv;
        out vec4 v_color;

        uniform mat4 u_proj;
        uniform mat4 u_view;
        uniform mat4 u_model;

        void main()
        {
            mat4 model_view = u_view * u_model;
            mat3 normal     = transpose(inverse(mat3(model_view)));

            vec4 view_pos   = model_view * vec4(a_pos.xyz, 1.0);

            v_pos       = view_pos.xyz;
            v_nv        = normal * a_nv;  
            v_color     = a_col;
            gl_Position = u_proj * view_pos;
        }
    """

    __glsl_frag = """
        #version 450 core

        out vec4 frag_color;
        in  vec3 v_pos;
        in  vec3 v_nv;
        in  vec4 v_color;

        void main()
        {
            vec3  N    = normalize(v_nv);
            vec3  V    = -normalize(v_pos);
            float ka   = 0.1;
            float kd   = max(0.0, dot(N, V)) * 0.9;
            frag_color = vec4(v_color.rgb * (ka + kd), v_color.a);
        }
    """

    __program = None
    __vao = None
    __vbo = None
    __no_vert = 0

    def __init__(self, w, h):

        self.__vp_size = [w, h]

        glutInit()
        glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH)
        glutInitWindowSize(self.__vp_size[0], self.__vp_size[1])
        __glut_wnd = glutCreateWindow(self.__caption)

        self.__program = compileProgram( 
            compileShader( self.__glsl_vert, GL_VERTEX_SHADER ),
            compileShader( self.__glsl_frag, GL_FRAGMENT_SHADER ),
        )

        self.___attrib = { a : glGetAttribLocation (self.__program, a) for a in ['a_pos', 'a_nv', 'a_col'] }
        print(self.___attrib)

        self.___uniform = { u : glGetUniformLocation (self.__program, u) for u in ['u_model', 'u_view', 'u_proj'] }
        print(self.___uniform)

        v = [ -1,-1,1,  1,-1,1,  1,1,1, -1,1,1, -1,-1,-1,  1,-1,-1,  1,1,-1, -1,1,-1 ]
        c = [ 1.0, 0.0, 0.0,   1.0, 0.5, 0.0,    1.0, 0.0, 1.0,   1.0, 1.0, 0.0,   0.0, 1.0, 0.0,   0.0, 0.0, 1.0 ]
        n = [ 0,0,1, 1,0,0, 0,0,-1, -1,0,0, 0,1,0, 0,-1,0 ]
        e = [ 0,1,2,3, 1,5,6,2, 5,4,7,6, 4,0,3,7, 3,2,6,7, 1,0,4,5 ]
        attr_array = []
        for si in range(6):
            for vi in range(6):
                ci = [0, 1, 2, 0, 2, 3][vi]
                i = si*4+ci
                attr_array.extend( [ v[e[i]*3], v[e[i]*3+1], v[e[i]*3+2] ] )
                attr_array.extend( [ n[si*3], n[si*3+1], n[si*3+2] ] )
                attr_array.extend( [ c[si*3], c[si*3+1], c[si*3+2], 1 ] ); 
        self.__no_vert = len(attr_array) // 10

        vertex_attributes = np.array(attr_array, dtype=np.float32)

        self.__vbo = glGenBuffers(1)
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, self.__vbo)
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertex_attributes, GL_STATIC_DRAW)

        self.__vao = glGenVertexArrays(1)
        glBindVertexArray(self.__vao)
        glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, False, 10*vertex_attributes.itemsize, None)
        glEnableVertexAttribArray(0)
        glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, False, 10*vertex_attributes.itemsize, c_void_p(3*vertex_attributes.itemsize))
        glEnableVertexAttribArray(1)
        glVertexAttribPointer(2, 4, GL_FLOAT, False, 10*vertex_attributes.itemsize, c_void_p(6*vertex_attributes.itemsize))
        glEnableVertexAttribArray(2)

        glEnable(GL_DEPTH_TEST)
        glUseProgram(self.__program)

        glutReshapeFunc(self.__reshape)
        glutDisplayFunc(self.__mainloop)
        glutMouseFunc(self.glut_mouse)
        glutMotionFunc(self.glut_motion)

        self.drag = False

        self.eye    = glm.vec3(-3, -7, 6)
        self.target = glm.vec3(0, 0, 0)
        self.up     = glm.vec3(0, 0, 1)

        self.near  = 0.1
        self.far   = 100.0
        aspect     = self.__vp_size[0]/self.__vp_size[1]
        self.proj  = glm.perspective(glm.radians(90.0), aspect, self.near, self.far)
        self.view  = glm.lookAt(self.eye, self.target, self.up)
        self.model = glm.mat4(1)  

    def run(self):
        self.__starttime = 0
        self.__starttime = self.elapsed_ms()
        glutMainLoop()

    def elapsed_ms(self):
      return glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME) - self.__starttime

    def __reshape(self, w, h):
        self.__vp_valid = False

    def __mainloop(self):

        if not self.__vp_valid:
            self.width      = glutGet(GLUT_WINDOW_WIDTH)
            self.height     = glutGet(GLUT_WINDOW_HEIGHT)
            self.__vp_size  = [self.width, self.height]
            self.__vp_valid = True
            aspect          = self.width / self.height
            self.proj       = glm.perspective(glm.radians(90.0), aspect, self.near, self.far)

        glUniformMatrix4fv(self.___uniform['u_proj'], 1, GL_FALSE, glm.value_ptr(self.proj) )
        glUniformMatrix4fv(self.___uniform['u_view'], 1, GL_FALSE, glm.value_ptr(self.view) )
        glUniformMatrix4fv(self.___uniform['u_model'], 1, GL_FALSE, glm.value_ptr(self.model) )

        glClearColor(0.2, 0.3, 0.3, 1.0)
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

        glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, self.__no_vert)

        glutSwapBuffers()
        glutPostRedisplay()

    def glut_mouse(self, button, state, x, y):
        self.drag = state == GLUT_DOWN
        self.last_mouse_pos = glm.vec2(x, self.height-y)
        self.mouse_down_pos = glm.vec2(x, self.height-y)
        if self.drag:
            depth_buffer = glReadPixels(x, self.height-y, 1, 1, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT)
            self.last_depth = depth_buffer[0][0]
            print(self.last_depth)

    def glut_motion(self, x, y):
        if not self.drag:
          return
        old_pos = self.last_mouse_pos
        new_pos = glm.vec2(x, self.__vp_size[1]-y)
        self.last_mouse_pos = new_pos 
        self.pan(self.last_depth, old_pos, new_pos)

    def pan(self, depth, old_pos, new_pos):

        wnd_from    = glm.vec3(old_pos[0], old_pos[1], float(depth))
        wnd_to      = glm.vec3(new_pos[0], new_pos[1], float(depth))

        vp_rect     = glm.vec4(0, 0, self.width, self.height)
        world_from  = glm.unProject(wnd_from, self.view, self.proj, vp_rect)
        world_to    = glm.unProject(wnd_to, self.view, self.proj, vp_rect)

        world_vec   = world_to - world_from

        self.eye    = self.eye - world_vec
        self.target = self.target - world_vec
        self.view   = glm.lookAt(self.eye, self.target, self.up)

window = MyWindow(800, 600)
window.run()

Answer 2

[...]，但仍然有一种情况，他的算法无法正常工作。从空的空间开始平移时，它不能正确处理[...]

在解决方案中，对象的深度从发生鼠标单击的那个位置的深度缓冲区中获取。如果这是“空空间”，即未绘制任何对象的位置，则深度为深度范围的最大值（通常为1）。这导致快速痛苦。

一种解决方案或解决方法是使用场景代表位置的深度。例如世界的起源：

pt_drag = glm.vec3(0, 0, 0)

当然，在每种情况下这可能不会导致正确的结果。如果场景的对象不在世界的起源周围，则此方法将失败。我建议计算场景axis aligned bounding box的中心。使用此点代表“深度”：

box_min = ... # glm.vec3
box_max = ... # glm.vec3

pt_drag = (box_min + box_max) / 2

一个点的深度可以通过使用视图和投影矩阵以及最终的透视划分进行转换来计算：

o_clip = self.proj * self.view * glm.vec4(pt_drag, 1)
o_ndc  = glm.vec3(o_clip) / o_clip.w

这可以应用于函数glut_mouse：

def glut_mouse(self, button, state, x, y):
    self.drag = state == GLUT_DOWN
    self.last_mouse_pos = glm.vec2(x, self.height-y)
    self.mouse_down_pos = glm.vec2(x, self.height-y)

    if self.drag:
        depth_buffer = glReadPixels(x, self.height-y, 1, 1, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT)
        self.last_depth = depth_buffer[0][0]
        if self.last_depth == 1:
            pt_drag = glm.vec3(0, 0, 0)
            o_clip  = self.proj * self.view * glm.vec4(pt_drag, 1)
            o_ndc   = glm.vec3(o_clip) / o_clip.w
            if o_ndc.z > -1 and o_ndc.z < 1:
                self.last_depth = o_ndc.z * 0.5 + 0.5

预览：

一种感觉良好的解决方案的关键是找到“正确的”深度。在透视投影时，拖动操作（鼠标移动以1：1动作影响对象）投影在视口上，只能在定义良好的深度下正确工作。当深度不同的对象投影到视口时，它们会以不同的比例移动，这就是透视的“本质”。

要找到“正确的”深度，有不同的可能性，这取决于您的需求：

从深度缓冲区读取当前鼠标位置的深度：

depth_buffer = glReadPixels(x, self.height-y, 1, 1, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT)    
self.last_depth = depth_buffer[0][0]

获取深度缓冲区的最小和最大深度（远平面的值除外， 1.0 ）并计算平均深度。当然，在这种情况下，必须研究整个深度缓冲区：

d_buf = glReadPixels(0, 0, self.width, self.height, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT)
d_vals = [float(d_buf[i][j]) for i in range(self.width) for j in range(self.height) if d_buf[i][j] != 1]
if len(d_vals) > 0:
    self.last_depth = (min(d_vals) + max(d_vals)) / 2

使用世界的起源：

pt_drag = glm.vec3(0, 0, 0)
o_clip  = self.proj * self.view * glm.vec4(pt_drag, 1)
o_ndc   = glm.vec3(o_clip) / o_clip.w
if o_ndc.z > -1 and o_ndc.z < 1:
    self.last_depth = o_ndc.z * 0.5 + 0.5

计算场景边界框的中心。
实施射线投射，该射线投射通过射线识别对象，该射线从视点开始穿过光标（鼠标）位置。当没有物体被击中时，可以通过识别最接近射线的物体来改进该算法。

如何在3dsMax中实现相机平移？

2 个答案: