3d 相机有意外滚动

Question

我一直在使用 C++ 在 opengl 中开发 3d 相机。

当我拿着相机环顾四周时，有时相机会出现意外的滚动，尤其是当我在旋转相机时。

我怀疑这是一个浮点错误，但我不知道如何检测它。

这是相机class:

#ifndef CAMERA_H
#define CAMERA_H

#include <GL/glew.h>

#include <GLFW/glfw3.h>

#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtx/transform.hpp>
#include <glm/gtc/quaternion.hpp>
#include <glm/gtx/quaternion.hpp>
#include <glm/gtx/rotate_vector.hpp>
#include <glm/gtx/euler_angles.hpp>
#include <glm/gtx/string_cast.hpp>

#include <iostream>

using glm::vec3;
using glm::mat4;
using glm::quat;

enum CamDirection {
    CAM_FORWARD,
    CAM_BACKWARD,
    CAM_LEFT,
    CAM_RIGHT
};


class Camera {
public:
    void cameraUpdate();

    mat4 getViewMatrix();

    Camera();

    Camera(vec3 startPosition);

    void move(CamDirection dir, GLfloat deltaTime);

    void look(double xOffset, double yOffset);

    void update();

private:
    mat4 viewMatrix;

    const GLfloat camSpeed = 5.05f;

};

mat4 Camera::getViewMatrix() {
    return viewMatrix;
}

Camera::Camera(){}


Camera::Camera(vec3 startPos):
    viewMatrix(glm::lookAt(startPos, vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f)))
{}

void Camera::move(CamDirection dir, GLfloat deltaTime) {
    mat4 trans;
    const vec3 camForward = vec3(viewMatrix[0][2], viewMatrix[1][2], viewMatrix[2][2]);
    const vec3 camRight   = vec3(viewMatrix[0][0], viewMatrix[1][0], viewMatrix[2][0]);

    if (dir == CAM_FORWARD)
        trans = glm::translate(trans,      (camSpeed * deltaTime) * camForward);
    else if (dir == CAM_BACKWARD)
        trans = glm::translate(trans, -1 * (camSpeed * deltaTime) * camForward);
    else if (dir == CAM_RIGHT)
        trans = glm::translate(trans, -1 * (camSpeed * deltaTime) * camRight);
    else
        trans = glm::translate(trans,      (camSpeed * deltaTime) * camRight);

    viewMatrix *= trans;
}

void Camera::look(double xOffset, double yOffset) {
    // 2 * acos(q[3])
    quat rotation = glm::angleAxis((GLfloat)xOffset, vec3( 0.0f, 1.0f, 0.0f));

    viewMatrix = glm::mat4_cast(rotation) * viewMatrix;

    rotation = glm::angleAxis((GLfloat)yOffset, vec3(-1.0f, 0.0f, 0.0f));

    mat4 rotMatrix = glm::mat4_cast(rotation);

    viewMatrix = rotMatrix * viewMatrix;
}

void Camera::update() {
}
#endif // CAMERA_H

Answer 1

该代码有两个问题：

首先，如果 xOffset、yOffset 只是屏幕像素差异（通过鼠标位置获得），您必须设置一个将它们转换为角度.有更好的方法，例如从 window 的中心到鼠标位置（先前和当前）形成两个向量，并通过点积计算它们之间的角度。根据 glm 设置（默认为度数，但您可以设置弧度），non-factorized xOffset 可能是一个巨大的角度，而不是平滑的旋转。

newViewMatrix = thisMouseRotation * oldViewMatrix 的第二次累积旋转会在一些移动后退化矩阵。 这是由于计算机的数量有限：例如10/3=3.333 但 3.333*3=9.999 != 10

解决方案：

A) 将旋转存储在四元数中。初始化一个四元数和每次旋转更新它 newQuater = thisMoveQuater * oldQuater。
时时"normalize"四元数求最小号码问题。
viewMatrix 是通过viewMatrix = Mat4x4FromQuaternion * translationMatrix 计算的所以我们避免了前面的 viewMatrix 及其问题。
B) 累积围绕每个 X、Y、Z 轴的旋转角度。计算每次需要使用这些累积的旋转矩阵角度。也许您将角度值限制在 0.2 之类的值度。这样，用户可以获得与多个用户相同的位置旋转之前。

Answer 2

我设法弄明白了。尽管我必须完全重写它才能做到这一点。

我的问题出在这几行：

quat rotation = glm::angleAxis((GLfloat)xOffset, vec3( 0.0f, 1.0f, 0.0f));

viewMatrix = glm::mat4_cast(rotation) * viewMatrix;

rotation = glm::angleAxis((GLfloat)yOffset, vec3(-1.0f, 0.0f, 0.0f));

mat4 rotMatrix = glm::mat4_cast(rotation);

改为构建一个中间四元数来存储方向，我可以用以下方法替换 look 方法：

quat pitch = quat(vec3(-yOffset, 0.0f, 0.0f));
quat yaw = quat(vec3(0.f, xOffset, 0.f));

orientation = pitch * orientation * yaw;

通过在最后一行乘以方向，不会发生意外滚动。

3d 相机有意外滚动

3d camera has unintended roll

c++

opengl

camera

quaternions