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用OpenGL实现射线拣取对象

作者：未知来源：月光软件站 加入时间：2005-2-28　月光软件站

关于用射线原理来拣取对象网上已经有完整的理论，另外DirectX也提供了一个Pick例子来演示，在这里我将这些资料和理论来稍微的总结，并给出OpenGL下的完整实现。
相关的理论大体来自一篇英文资料和一篇总结性的中文资料，分别是：
http://www.gameres.com/Articles/Program/Visual/3D/pick_2004_529.htm
http://www.mvps.org/directx/articles/rayproj.htm
前一篇完整讲述用DirectX实现射线拣取物体的原理和实现。后一篇讲述的是二维屏幕空间到三维世界空间的转换原理。前一篇的名字是“Direct3D中实现图元的鼠标拾取”，它的讲述很好也很透彻。后一篇讲述射线形成的原理，并且有源码例子。
下面就OpenGL进行实现。

第一步：
实现屏幕坐标到三维世界空间坐标的转化，在这一步Opengl要比DirectX简单的多，利用函数 gluUnProject直接可以得到屏幕坐标相应的三维空间坐标，示例如下：
gluUnProject((GLdouble)xpos,(GLdouble)ypos,1.0,mvmatrix,projmatrix,viewport,&wx,&wy,&wz);  xpos 和ypos 是以屏幕左下角为原点的屏幕坐标，1.0代表返回zbuffer为1.0处（远剪切面交点）的世界坐标，mvmatrix 为视矩阵，通过GetDoublev(GL_MODELVIEW_MATRIX,mvmatrix)得到，projmatrix为投影矩阵，通过glGetDoublev(GL_PROJECTION_MATRIX,projmatrix)得到，viewport为视口，通过glGetIntegerv(GL_VIEWPORT,viewport)得到，剩下的wx、wy、wz 就是我们要得到的世界坐标，得到这样两个世界坐标，射线就确定了，或者也可以用原点（视点）来代替其中一个点，因为这条射线是从视点出发的。
第二步：
用射线和要检测的三角形求交点，用到的原理和公式如下。
原理一：三角形内的任意一点都可以用变量u、v和其三个顶点坐标来确定，其中0<u<1 0<v<1、,0<u+v<1 ，vPoint = V1 + u*(V2-V1) + v*(V3-V1) ，其中V1、V2、V3为三角形的三个顶点，是已知量。
原理二：射线上的任意一点可以用射线的方向向量（格式化后的）乘以其模（该向量长度）来表示，记为:vPoint =originPoint+dir * len
如果和三角形相交则必定同时满足上面的两个条件所以有：

(-Dir)*len+ (V2-V1)*u + (V3-V1)*v ＝ originPoint －V1

相当方程组: (len ,v ,u 为变量，其它为常量)

（-Dir.x）*len +(V2.x-V1.x)*u + (V3.x – V1.x )*v = originPoint.x －V1.x
（-Dir.y）*len +(V2.y-V1.y)*u + (V3.y – V1.y )*v = originPoint.y －V1.y
（-Dir.z）*len +(V2.z-V1.z)*u + (V3.z – V1.z )*v = originPoint.z －V1.z
或：
                               len
【－Dir，V2－V1，V3－V1】{  u   } = originPoint – V1
                       v
这是一个线性方程组，根据克拉姆法则，【－Dir，V2－V1，V3－V1】不为零。
所以满足条件：0<v<1,0<u<1, len>0, ,0<u+v<1 和【－Dir，V2－V1，V3－V1】不为零则射线和三角形相交。
【－Dir，V2－V1，V3－V1】写成矩阵形式为：
| -Dir.x , V2.x-V1.x , V3.x – V1.x |
| -Dir.y , V2.y-V1.y , V3.y – V1.x |
| -Dir.z , V2.z-V1.z , V3.z – V1.z |

伪码实现（原理在DirectX Pick例子中有源码实现）：
// 三角形两个边的向量
    VECTOR3 edge1 = v1 - v0;
    VCTOR3  edge2 = v2 - v0;
    VCTOR3  pvec;
    VEC3Cross( &pvec, &dir, &edge2 );// 差积
    FLOAT det = VEC3Dot( &edge1, &pvec );// 点积
    // det其含义为【－Dir，V2－V1，V3－V1】矩阵展开
    VECTOR3 tvec;
    if( det > 0 )//
    {
        tvec = orig - v0; // 从正面穿越三角形，三角形和视点相对的面为正面
    }
    else
    {
        tvec = v0 - orig;// 反面穿越三角形穿越三角形
        det = -det;
    }

    if( det < 0.0001f )// 接近零视为0
        return FALSE;

    // 求u的值，求线性方程组的解展开后等同于求点积展开
    *u = VEC3Dot( &tvec, &pvec );
    if( *u < 0.0f || *u > det )
        return FALSE;

// 求v的值
VECTOR3 qvec;
    VEC3Cross( &qvec, &tvec, &edge1 );
    *v = VEC3Dot( &dir, &qvec );
    if( *v < 0.0f || *u + *v > det )
        return FALSE;

    // 计算t,并把t,u,v放缩为合法值
*t = D3DXVec3Dot( &edge2, &qvec );
// 前面的t,v,u在计算时多乘了一个系数det

    FLOAT fInvDet = 1.0f / det;
    *t *= fInvDet;
    *u *= fInvDet;
    *v *= fInvDet;
// 这里这个算法是微软给出的，从几何角度分析其含义十分难懂，真正的方法是根据线性方程租求解，巧的是文中的方法恰好和线性方程组整理出来的东西相符合，这大概就是几何和代数相通的原理。

源码（VC6.0 + OPENGL + WINDOWS2000，调试通过）：
bool IntersectTriangle()
{
GLfloat edge1[3];
GLfloat edge2[3];

edge1[0]=V1[0]-V0[0];
edge1[1]=V1[1]-V0[1];
edge1[2]=V1[2]-V0[2];

edge2[0]=V2[0]-V0[0];
edge2[1]=V2[1]-V0[1];
edge2[2]=V2[2]-V0[2];

GLfloat dir[3];
dir[0]=g_farxyz[0]-g_nearxyz[0];
dir[1]=g_farxyz[1]-g_nearxyz[1];
dir[2]=g_farxyz[2]-g_nearxyz[2];

GLfloat w = (GLfloat)sqrt((double)pow(dir[0],2.0)+(double)pow(dir[1],2.0)+(double)pow(dir[2],2.0));
dir[0] /= w;
dir[1] /= w;
dir[2] /= w;

GLfloat pvec[3];
pvec[0]= dir[1]*edge2[2] - dir[2]*edge2[1];
pvec[1]= dir[2]*edge2[0] - dir[0]*edge2[2];
pvec[2]= dir[0]*edge2[1] - dir[1]*edge2[0];

GLfloat det ;
det = edge1[0]*pvec[0]+edge1[1]*pvec[1]+edge1[2]*pvec[2];

GLfloat tvec[3];
if( det > 0 )
{

     tvec[0] = g_nearxyz[0] - V0[0];
tvec[1] = g_nearxyz[1] - V0[1];
tvec[2] = g_nearxyz[2] - V0[2];

    }
else
{

        tvec[0] = V0[0] - g_nearxyz[0];
tvec[1] = V0[1] - g_nearxyz[1];
tvec[2] = V0[2] - g_nearxyz[2];
det = -det ;

    }

    if( det < 0.0001f )    return false;

GLfloat u ;
u = tvec[0]*pvec[0]+ tvec[1]*pvec[1]+ tvec[2]*pvec[2];

    if( u < 0.0f || u > det )   return false;

GLfloat qvec[3];
qvec[0]= tvec[1]*edge1[2] - tvec[2]*edge1[1];
    qvec[1]= tvec[2]*edge1[0] - tvec[0]*edge1[2];
    qvec[2]= tvec[0]*edge1[1] - tvec[1]*edge1[0];

GLfloat v;
v = dir[0]*qvec[0]+dir[1]*qvec[1]+dir[2]*qvec[2];
if( v < 0.0f || u + v > det )      return false;

GLfloat t = edge2[0]*qvec[0]+edge2[1]*qvec[1]+edge2[2]*qvec[2];
GLfloat fInvDet = 1.0f / det;
t *= fInvDet;
u *= fInvDet;
v *= fInvDet;
return true;

}

void pick(GLfloat xpos,GLfloat ypos)
{
xpos,ypos;
GLint viewport[4];
GLdouble mvmatrix[16],projmatrix[16];
GLint realy;
GLdouble wx,wy,wz;

glGetIntegerv(GL_VIEWPORT,viewport);
glGetDoublev(GL_MODELVIEW_MATRIX,mvmatrix);
glGetDoublev(GL_PROJECTION_MATRIX,projmatrix);

realy = viewport[3]-(GLint)ypos -1;// 左下角为坐标原点
gluUnProject((GLdouble)xpos,(GLdouble)realy,0.0,mvmatrix,projmatrix,viewport,&wx,&wy,&wz);

g_nearxyz[0] = (GLfloat)wx;
g_nearxyz[1] = (GLfloat)wy;
g_nearxyz[2] = (GLfloat)wz;////

gluUnProject((GLdouble)xpos,(GLdouble)realy,1.0,mvmatrix,projmatrix,viewport,&wx,&wy,&wz);

g_farxyz[0] = (GLfloat)wx;
g_farxyz[1] = (GLfloat)wy;
g_farxyz[2] = (GLfloat)wz;////

g_color = 0.0;
if(IntersectTriangle()) g_color=1.0;

}
GLfloat V0[3]={1.0,0.0,-1.0 };
GLfloat V1[3]={0.0,1.0,-1.0 };
GLfloat V2[3]={0.0,0.0,-2.0 };
Void DrawGLScene(GLvoid)
{
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glBegin(GL_TRIANGLES);
glColor3f(g_color,0.0,1.0);
glVertex3fv(V0);// 如果加了glTranslatef之类的变换函数，射线应该反向变化
glVertex3fv(V1);
glVertex3fv(V2);
glEnd();
SwapBuffers(hDC);
}

}

本文结束。
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，另外DirectX也提供了一个Pick例子来演示，在这里我将这些资料和理论来稍微的总结，并给出OpenGL下的完整实现。
相关的理论大体来自一篇英文资料和一篇总结性的中文资料，分别是：
http://www.gameres.com/Articles/Program/Visual/3D/pick_2004_529.htm
http://www.mvps.org/directx/articles/rayproj.htm
前一篇完整讲述用DirectX实现射线拣取物体的原理和实现。后一篇讲述的是二维屏幕空间到三维世界空间的转换原理。前一篇的名字是“Direct3D中实现图元的鼠标拾取”，它的讲述很好也很透彻。后一篇讲述射线形成的原理，并且有源码例子。
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