旋转太空模拟器/游戏的宇宙飞船模型

Question

我从事太空模拟游戏已经有一段时间了。 起初，我使用自己的 3D 引擎和软件光栅器。

但当实现纹理的时间到了时我放弃了。 现在我在一段时间后再次开始，现在我使用 Opengl（带有 SDL）来渲染 3D 模型。

但现在我又撞到了另一堵砖墙。

我不知道如何进行正确的旋转。 作为一个空间模拟器，我想要

使用

glRotatef(angleX, 1.0f, 0.0f, 0.0f);
glRotatef(angleY, 0.0f, 1.0f, 0.0f);
glRotatef(angleZ, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

与飞行模拟类似的控件或类似的控件，
如果我先将模型（宇宙飞船）向左旋转 90 度，然后“向上”旋转，则无法正常工作。 相反，它会滚动。

这是说明我的问题的图片。

但是

我尝试了几种技巧来尝试解决这个问题， 不知怎的，我觉得我错过了一些东西。 几乎不可能找到模拟器风格的旋转示例，这也无济于事。

所以我正在寻找旋转 3D 模型（如宇宙飞船、飞机）的示例、链接和理论。

我是否应该使用 3 个向量（左、上、前）来确定方向，因为我还必须计算诸如推进器的加速度之类的东西，以及随着旋转（方向？）而变化的东西，以及从模型角度点来看的东西像火箭发动机一样的方向。

我不太擅长数学，试图想象一个解决方案只是让我头疼

Answer 1

我不确定我完全理解这种情况，但听起来您可能正在描述 万向节锁< /a>. 您可能需要考虑使用 四元数 来表示您的旋转。

Answer 2

正确地做到这一点当然具有挑战性。 我认为您面临的问题是，无论“船”已经如何定向，您都使用相同的变换矩阵进行旋转。 但是您不想根据船舶面向前方时的转向方式来旋转船舶，而是希望根据其现在的朝向来旋转船舶。 为此，您应该像改造船舶一样改造受控转弯矩阵。

例如，假设我们有三个矩阵，每个矩阵代表我们想要做的转弯类型。

float theta = 10.0*(pi/180.0)

matrix<float> roll = [[ cos(theta), sin(theta), 0]
                       [ -sin(theta), cos(theta), 0]
                       [ 0, 0, 1]

matrix<float> pitch = [[ cos(theta), 0, sin(theta)]
                      [ 0, 1, 0]
                      [ -sin(theta), 0, cos(theta)]

matrix<float> yaw = [[1, 0, 0]
                     [0, cos(theta), sin(theta)]
                     [0, -sin(theta), cos(theta)]]

matrix<float> orientation = [[1, 0, 0]
                            [0, 1, 0]
                            [0, 0, 1]]

每个代表三个飞行姿态轴各旋转 10 度。 我们还有一个你的船方位矩阵，最初只是笔直向前。 您将通过该方向矩阵变换船舶的顶点以显示它。

然后，为了在转弯后获得方向，您需要做一些聪明的事情，首先将姿态控制矩阵转换为玩家的坐标，然后将其应用于方向以获得新的方向：就像这样

function do_roll(float amount):
    matrix<float> local_roll = amount * (roll * orientation)
    orientation = orientation * local_roll

function do_pitch(float amount):
    matrix<float> local_pitch = amount * (pitch * orientation)
    orientation = orientation * pitch_roll

function do_yaw(float amount):
    matrix<float> local_yaw = amount * (yaw * orientation)
    orientation = orientation * local_yaw

每次您想要以一种或另一种方式旋转，您只需调用这些函数之一即可。

Answer 3

您在这里要使用的是四元数。 它们消除了您正在经历的奇怪行为。 将它们视为具有类似功能的类固醇矩阵。 通过使用允许您在特定旋转轴向量上创建旋转矩阵的任何 OpenGL 功能，您可以比您更好地使用矩阵（在上面的代码中），但四元数将存储您的旋转以供将来修改。 例如，您从一个恒等四元数开始，然后将其旋转到特定的轴向量。 然后，四元数被转换为对象的世界矩阵，但您将四元数存储在对象中。 下次您需要执行旋转时，只需进一步修改该四元数，而不必尝试跟踪 X、Y 和 Z 轴旋转度数等。

我的经验是在 directx 中（抱歉，这里没有 OpenGL 经验），尽管当我试图旋转在房间和房间周围弹跳的沙滩球时，我确实遇到过你的问题。 当它们遇到地板、墙壁和彼此时旋转。

Google 在“OpenGL 四元数”上有很多选项，但这似乎是一个很好的来源：

http://gpwiki.org/index.php/OpenGL:Tutorials:Using_Quaternions_to_represent_rotation

正如您现在可能已经猜到的，四元数非常适合在您的环境中处理相机。 这是一个很棒的教程：

http://nehe.gamedev.net/data /lessons/lesson.asp?lesson=Quaternion_Camera_Class

Answer 4

您应该学习 3D 数学，以便能够更深入地了解如何控制旋转。 如果您不了解理论，甚至很难正确复制和粘贴。 具体来说，例如 3D Math Primer(Amazon) 等文本，以及 < strong>http://gamemath.com 将极大地帮助您项目（以及所有未来的项目）。

我知道您现在可能不喜欢数学，但学习相关的算术将是解决您问题的最佳方法。

Answer 5

四元数可能会有所帮助，但更简单的解决方案可能是遵守严格的旋转顺序。 听起来好像你先绕 y 旋转，然后又绕 x 旋转。 您必须始终先旋转 x，然后旋转 y，最后旋转 z。 并不是说该顺序有什么特别之处，只是如果您这样做，轮换往往会更接近您期望的工作方式。

编辑：为了澄清一点，你也不应该在游戏中累积轮换时间。 您应该在每一帧中以同一位置开始模型，然后依次旋转 x、y、z，到达该帧的新位置。

Answer 6

一般轮换是困难的。 物理学家倾向于使用一些所谓的欧拉角来描述它们。 在此方法中，一般旋转由围绕三个轴以固定顺序获取的三个角度来描述。 但这三个轴并不是原始框架的X、Y、Z轴。 它们通常是原始帧的 Z、Y 和 Z 轴（是的，这确实是完全通用的），或者原始帧中的两个轴，后跟中间帧中的一个轴。 有很多选择，并且确保您始终遵循相同的约定可能是一个真正的麻烦。