OpenGL坐标系转换

转换过程

在opengl中，一个坐标的完整转换过程，从结构层、渲染管线、坐标空间三个层级的划分如下：
结构层：顶点——>图元——> 片元——>缓冲（FBO）
图像渲染管线：顶点着色器 ——>图元装配——>裁剪 ——>几何着色器 ——>栅格化 ——>片段着色器——> 测试与混合
坐标空间：Model/Local —(ModelTransform)—> World —(ViewTransform)—> eye/view/camera —（视椎体裁剪,椎体范围转为正方体范围）—>Clip ———(PerspectiveDivide)—>NDC(clip/w)——(ViewportTransform)——>Screen——（ScanConversion）——>Window**

顶点的三个状态
顶点（vertex）, 一些点
图元（primitives）, 顶点组合成图元。根据渲染模式（点、线、面）对三角面进行细分，复杂结构增加物体的三角面数以拆解成基本图元。
片元 (Fragment)，表示基本图元映射到二维平面上的映射区域，通常一个Fragment对应屏幕一个像素。
栅格化是把点线三角形映射到屏幕上的像素点的过程。

图像渲染管线各过程详解

• 顶点着色器：MVP变换，光照计算。与顶点相关的全部属性完全确定。输出camera space下的顶点。
• 图元装配：顶点数据被结合成完整图元。输出图元。
• 几何着色器：输入图元，对三角面进行细分，产生一些新顶点，构造一些新图元。
• 裁剪：（只有图元才能裁剪，顶点没有几何意义。不裁剪，视线范围无限远）用相机视椎体裁剪世界坐标 ，视椎体视线范围转为正方体视线范围。输出Clip space 图元。
• 透视除法：四维齐次坐标通过透视除法转换为三维NDC。NDC的意义在于顶点最后要输出到屏幕空间。
• 视口变换， 三维坐标转为二维像素坐标。输出Screen space 图元。
• 剔除：背面剔除
• 光栅化：将图元的几何定义转为图像空间的离散点，生成片元集合。输出Screen space。
• 片元着色器：
• 测试与混合
  • 深度剔除
  • 遮挡剔除
  • 透明物体融合
    

坐标系转换过程

w分量
左右手坐标系转换？
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Eye坐标系如何转成NDC坐标系？

1. 非齐次坐标（x,y,z,1）转为齐次坐标（xe,ye,ze,w）;
2. Eye Space的点e 映射到 视椎体Near平面 的点p，再映射到 NDC空间 点ndc，到此，视线范围确定为xh,yh,zh ∈[-w,w]
3. 透视除法后，得到真正的NDC坐标系。 ndc.xyz = clip.xyz / clip.w;

第二步详细过程：
1.Eye Space的点e在两个二维平面 （ZX平面 ZY平面）上映射到视椎体Near平面 的点p，得到点e和点p的映射关系。
2.视椎体Near平面映射到NDC空间的[-1,1], 求出 点ndc和点p的关系
最后得到点e和点ndc的关系，
三维NDC坐标系转为二维像素坐标系
最终，模型要显示在二维平面上，其范围与视口相关。NDC空间很接近窗口，NDC的xy坐标与窗口坐标之间的线性关系被称为视口变换。NDC的z值理解为深度值。

参考文档
gl_FragColor的含义
从顶点到片元
OpenGL投影矩阵(Projection Matrix)构造方法 - lxycg - 博客园

游戏开发技术杂谈3：OpenGL投影矩阵