20. 1인칭 카메라

Table of Contents

1.　카메라 클래스


2.　카메라 변환


3.　시야 행렬 구축(View matrix)


4.　카메라 변환 적용

1. 카메라 클래스

• 카메라 클래스는 두 가지 중요한 정보를 저장한다.
• 하나는 카메라 좌표(카메라 원점, x,y,z 축 벡터와 up벡터, lookat 벡터)
• 다른 하나는 View Frustum(시야각, 가까운 평면 거리, 먼 평면 거리) 속성

class Camera
{
public:

    Camera();
    ~Camera();

    // 월드 좌표 카메라 위치 정보
    DirectX::XMVECTOR GetPosition()const;
    DirectX::XMFLOAT3 GetPosition3f()const;
    void SetPosition(float x, float y, float z);
    void SetPosition(const DirectX::XMFLOAT3& v);

    // 카메라 방향벡터
    DirectX::XMVECTOR GetRight()const;
    DirectX::XMFLOAT3 GetRight3f()const;
    DirectX::XMVECTOR GetUp()const;
    DirectX::XMFLOAT3 GetUp3f()const;
    DirectX::XMVECTOR GetLook()const;
    DirectX::XMFLOAT3 GetLook3f()const;

    // 시야 절두체(View frustum) 속성
    float GetNearZ()const;
    float GetFarZ()const;
    float GetAspect()const;
    float GetFovY()const;
    float GetFovX()const;

    // 근평면과 먼평면 높이 너비 정보
    float GetNearWindowWidth()const;
    float GetNearWindowHeight()const;
    float GetFarWindowWidth()const;
    float GetFarWindowHeight()const;

    // 시야 절두체 설정
    void SetLens(float fovY, float aspect, float zn, float zf);

    // 카메라 위치, 시선(Lookat), 상향(up)벡터로 카메라 좌표계 설정
    void LookAt(DirectX::FXMVECTOR pos, DirectX::FXMVECTOR target, DirectX::FXMVECTOR worldUp);
    void LookAt(const DirectX::XMFLOAT3& pos, const DirectX::XMFLOAT3& target, const DirectX::XMFLOAT3& up);

    // 시야 행렬과 투영 행렬 조회
    DirectX::XMMATRIX GetView()const;
    DirectX::XMMATRIX GetProj()const;

    DirectX::XMFLOAT4X4 GetView4x4f()const;
    DirectX::XMFLOAT4X4 GetProj4x4f()const;

    // 카메라 거리 d만큼 횡이동 축이동
    void Strafe(float d);
    void Walk(float d);

    // 카메라 상하, 좌우회전
    void Pitch(float angle);
    void RotateY(float angle);

    // 카메라 위치나 방향 수정하면 현재 카메라 정보 업데이트하는 update매서드 실행
    void UpdateViewMatrix();

private:

    // 월드 카메라 좌표
    DirectX::XMFLOAT3 mPosition = { 0.0f, 0.0f, 0.0f };
    DirectX::XMFLOAT3 mRight = { 1.0f, 0.0f, 0.0f };
    DirectX::XMFLOAT3 mUp = { 0.0f, 1.0f, 0.0f };
    DirectX::XMFLOAT3 mLook = { 0.0f, 0.0f, 1.0f };

    // Frustrum 속성들
    float mNearZ = 0.0f;
    float mFarZ = 0.0f;
    float mAspect = 0.0f;
    float mFovY = 0.0f;
    float mNearWindowHeight = 0.0f;
    float mFarWindowHeight = 0.0f;

    // 시야 변경점이 있는지 여부 판단 있을때만 matrix update
    bool mViewDirty = true;

    // 시야 행렬과 투영행렬
    DirectX::XMFLOAT4X4 mView = MathHelper::Identity4x4();
    DirectX::XMFLOAT4X4 mProj = MathHelper::Identity4x4();
};

 

 

2. 카메라 변환

• 다음과 같은 1인칭 카메라 기능을 구현한다
• 카메라 시선(look vector)을 따라 앞 뒤로 움직임(Walk)
• 카메라 오른쪽 벡터를 따라 좌우로 이동(Strafe)
• 카메라 오른쪽 벡터를 축으로 위아래 회전(pitch), Look벡터와 up벡터를 오른쪽벡터에 대해 회전시켜 구현
• up벡터를 축으로 좌우 회전

// look 벡터 따라 앞 뒤 이동
void Camera::Walk(float d)
{
    // mPosition += d*mLook
    XMVECTOR s = XMVectorReplicate(d);
    XMVECTOR l = XMLoadFloat3(&mLook);
    XMVECTOR p = XMLoadFloat3(&mPosition);
    XMStoreFloat3(&mPosition, XMVectorMultiplyAdd(s, l, p));

    // 카메라 변경점이 있음을 알리는 변수
    mViewDirty = true;
}

// 오른쪽 벡터 따라 좌우 평행이동
void Camera::Strafe(float d)
{
    // mPosition += d*mRight
    XMVECTOR s = XMVectorReplicate(d);
    XMVECTOR r = XMLoadFloat3(&mRight);
    XMVECTOR p = XMLoadFloat3(&mPosition);
    XMStoreFloat3(&mPosition, XMVectorMultiplyAdd(s, r, p));

    mViewDirty = true;
}

// 오른쪽 벡터를 축으로 위아래 회전
void Camera::Pitch(float angle)
{
    // Rotate up and look vector about the right vector.

    XMMATRIX R = XMMatrixRotationAxis(XMLoadFloat3(&mRight), angle);

    XMStoreFloat3(&mUp,   XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&mUp), R));
    XMStoreFloat3(&mLook, XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&mLook), R));

    mViewDirty = true;
}


// Up벡터(여기선 y축)를 축으로 좌우 회전
void Camera::RotateY(float angle)
{
    // Rotate the basis vectors about the world y-axis.

    XMMATRIX R = XMMatrixRotationY(angle);

    XMStoreFloat3(&mRight,   XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&mRight), R));
    XMStoreFloat3(&mUp, XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&mUp), R));
    XMStoreFloat3(&mLook, XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&mLook), R));

    mViewDirty = true;
}

 

 

 

3. 시야 행렬 구축(View matrix)

• 내부에 가지고 있는 인자로 카메라의 오른쪽 벡터와 Up벡터, Look벡터를 다시 정규직교화(Orthonormalization)하는 작업
• 즉 서로 직교인 단위벡터(새로운 축 생성)을 하는 단계
• 회전을 많이하면 오차가 누적되어서 축들이 정규직교가 아니게 될 수 있으므로 꼭 해줘야함.

void Camera::UpdateViewMatrix()
{
    if(mViewDirty)
    {
        XMVECTOR R = XMLoadFloat3(&mRight);
        XMVECTOR U = XMLoadFloat3(&mUp);
        XMVECTOR L = XMLoadFloat3(&mLook);
        XMVECTOR P = XMLoadFloat3(&mPosition);

        // 카메라 축들이 정규직교인 단위벡터가 되게함
        L = XMVector3Normalize(L);
        U = XMVector3Normalize(XMVector3Cross(L, R));

        // U와 L이 정규직교이므로 그 외적은 정규화할 필요가 없음
        R = XMVector3Cross(U, L);

        // 시야 행렬들의 성분을 채움
        float x = -XMVectorGetX(XMVector3Dot(P, R));
        float y = -XMVectorGetX(XMVector3Dot(P, U));
        float z = -XMVectorGetX(XMVector3Dot(P, L));

        XMStoreFloat3(&mRight, R);
        XMStoreFloat3(&mUp, U);
        XMStoreFloat3(&mLook, L);

        mView(0, 0) = mRight.x;
        mView(1, 0) = mRight.y;
        mView(2, 0) = mRight.z;
        mView(3, 0) = x;

        mView(0, 1) = mUp.x;
        mView(1, 1) = mUp.y;
        mView(2, 1) = mUp.z;
        mView(3, 1) = y;

        mView(0, 2) = mLook.x;
        mView(1, 2) = mLook.y;
        mView(2, 2) = mLook.z;
        mView(3, 2) = z;

        mView(0, 3) = 0.0f;
        mView(1, 3) = 0.0f;
        mView(2, 3) = 0.0f;
        mView(3, 3) = 1.0f;

        mViewDirty = false;
    }
}

 

 

 

4. 카메라 변환 적용

• 이제 실제 응용프로그램에서 카메라 이동을 제어하는 매서드를 구현해본다
• Param 값으로 들어온 키보드 값과 마우스 값을 이용하여 카메라의 움직임을 제어한다.

// 키보드 움직임으로 카메라 이동 제어
void CameraAndDynamicIndexingApp::OnKeyboardInput(const GameTimer& gt)
{
    const float dt = gt.DeltaTime();

    if(GetAsyncKeyState('W') & 0x8000)
        mCamera.Walk(10.0f*dt);

    if(GetAsyncKeyState('S') & 0x8000)
        mCamera.Walk(-10.0f*dt);

    if(GetAsyncKeyState('A') & 0x8000)
        mCamera.Strafe(-10.0f*dt);

    if(GetAsyncKeyState('D') & 0x8000)
        mCamera.Strafe(10.0f*dt);

    mCamera.UpdateViewMatrix();
}

// 마우스 움직임으로 카메라 회전 제어
void CameraAndDynamicIndexingApp::OnMouseMove(WPARAM btnState, int x, int y)
{
        // 각 픽셀이 1/4도에 해당(0.25f)이 값을 조절하면 카메라 감도 변경
        float dx = XMConvertToRadians(0.25f*static_cast<float>(x - mLastMousePos.x));
        float dy = XMConvertToRadians(0.25f*static_cast<float>(y - mLastMousePos.y));

        mCamera.Pitch(dy);
        mCamera.RotateY(dx);

    mLastMousePos.x = x;
    mLastMousePos.y = y;
}