Почему было бы выгодно иметь отдельную матрицу проекции, но комбинировать модель и матрицу просмотра?

Question

Когда вы изучаете 3D программирования, вас учат, что это самый простой думать в терминах матриц 3 преобразования:

1. матричная модель. Эта матрица индивидуальна для каждой модели, и она вращается и масштабирует объект по своему желанию и, наконец, перемещает его в свое конечное положение в вашем 3D-мире. «Модельная матрица преобразует координаты модели в мировые координаты».

2. Матрица обзора. Эта матрица обычно одинакова для большого количества объектов (если не для всех), и она вращает и перемещает все объекты в соответствии с текущей «позицией камеры». Если вы визуализируете, что трехмерная сцена снимается камерой, а то, что отображается на экране, - это изображения, которые были захвачены этой камерой, местоположение камеры и направление ее просмотра определяют, какие части сцены видны и как объекты появляются на захваченном изображении. Есть мало причин менять матрицу представления при рендеринге одного кадра, но они действительно существуют (например, путем рендеринга сцены в два раза и изменения матрицы просмотра между ними, вы можете создать очень простое, но впечатляющее зеркало в вашей сцене) , Обычно матрица просмотра изменяется только один раз между двумя кадрами. «Матрица представления преобразует координаты мира в координаты глаз».

3. Проекционная матрица. Проекционная матрица решает, как эти 3D-координаты отображаются в 2D-координаты, например. если к ним применена перспектива (объекты становятся меньше, чем дальше от зрителя) или нет (ортогональная проекция). Проекционная матрица почти не меняется вообще. Возможно, это изменится, если вы визуализируетесь в окне, и размер окна изменился, или если вы выполняете полный экран, и разрешение изменилось, однако только в том случае, если новый размер окна/разрешение экрана имеет другой формат отображения, чем раньше. Есть некоторые сумасшедшие эффекты для того, что вы можете захотеть изменить эту матрицу, но в большинстве случаев ее довольно постоянную для всей жизни вашей программы. «Матрица проекции преобразует координаты глаз в координаты экрана».

Это имеет для меня весь смысл. Конечно, всегда можно объединить все три матрицы в одну, поскольку умножение вектора сначала на матрицу A, а затем на матрицу B такое же, как умножение вектора на матрицу C, где C = B * A.

Теперь, если вы посмотрите на классический OpenGL (OpenGL 1.x/2.x), OpenGL знает матрицу проецирования. Однако OpenGL не предлагает модель или матрицу представлений, она предлагает только комбинированную матрицу модели. Почему? Эта конструкция заставляет вас постоянно сохранять и восстанавливать «матрицу просмотра», так как она будет «разрушена» с помощью преобразований модели, примененных к ней. Почему нет трех отдельных матриц?

Если вы посмотрите на новые версии OpenGL (OpenGL 3.x/4.x) и не используете классический конвейер рендеринга, но настройте все с помощью шейдеров (GLSL), больше нет доступных матриц , вы должны определить свои собственные матрицы. Тем не менее, большинство людей придерживается старой концепции проекционной матрицы и матрицы модели. Зачем вам это делать? Почему бы не использовать три матрицы, что означает, что вам не нужно постоянно сохранять и восстанавливать матрицу модели или использовать одну комбинированную матрицу модели-представления (MVP), которая экономит вам матричное умножение в вашей вершине шейдер для вечной одиночной вершины (ведь такое умножение тоже не приходит).

Итак, чтобы обобщить мой вопрос: какое преимущество имеет комбинированная матрица модельного вида вместе с отдельной матрицей проектирования с тремя отдельными матрицами или одной матрицей MVP?

Answer 1

Посмотрите на него практически. Во-первых, чем меньше матриц вы отправляете, тем меньше матриц вы должны размножаться с позициями/нормалями/и т. Д. И, следовательно, чем быстрее ваши шейдеры вершин.

Итак, точка 1: меньше матриц лучше.

Однако есть определенные вещи, которые вам, вероятно, понадобятся. Если вы не делаете 2D-рендеринг или некоторые простые 3D-приложения, вам нужно будет делать освещение. Обычно это означает, что вам нужно будет преобразовать позиции и нормали в пространство мира или камеры (просмотреть), а затем выполнить некоторые осветительные операции над ними (либо в вершинном шейдере, либо в шейдере фрагмента).

Вы не можете этого сделать, если перейти только из пространства модели в пространство проецирования. Вы не можете делать освещение в пространстве постпроекции, потому что это пространство нелинейно. Математика становится намного сложнее.

Итак, пункт 2: вам нужно как минимум остановка между моделью и проекцией.

Для этого нам нужно как минимум 2 матрицы. Почему модель-камера, а не модель-мир? Потому что working in world space in shaders is a bad idea. Вы можете столкнуться с численными проблемами точности, связанными с переводами, удаленными от начала координат. Принимая во внимание, что если вы работаете в космосе, вы не столкнетесь с этими проблемами, потому что ничего не слишком далеко от камеры (и, если это так, вероятно, должно быть за пределами дальней глубины).

Поэтому: мы используем пространство для камеры как промежуточное пространство для освещения.

Answer 2

В большинстве случаев вашему шейдеру понадобится геометрия в координатах мира или глаз для затенения, поэтому вам нужно отделить матрицу проекции от модели и просмотреть матрицы.

Создание вашего шейдера при умножении геометрии на две матрицы ухудшает производительность. Предполагая, что каждая модель имеет вершины с тысячами (или более), более эффективно вычислять матрицу представления модели в CPU один раз, и пусть шейдер выполняет одно меньшее умножение mtrix-вектора.