Openglで描画したポリゴンをカメラの方向へ回転させたい

Question

前提・実現したいこと

Android (kotlin) でopengl (GLES20) を使用したアプリを作成しようとしています。
XYZ空間内に平面のポリゴンを描画するところまではできましたが、
描画したポリゴンをカメラの方へ向かせる方法がわかりません。

現在、ポリゴンはXY平面に対して平行に描画されていますが、
ポリゴンをカメラからの視線に対して直角になるように回転させたいです。

よろしくお願いいたします。

現在の画面

該当のソースコード

MainActivity.kt

import android.support.v7.app.AppCompatActivity
import android.os.Bundle
import [project package uri].view.SampleGLSurfaceView

class MainActivity : AppCompatActivity() {
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)

        setContentView(SampleGLSurfaceView(this))
    }
}

view.SampleGLSurfaceView.kt

import android.content.Context
import android.opengl.GLSurfaceView
import android.util.AttributeSet

class SampleGLSurfaceView(context: Context, attrs: AttributeSet?) : GLSurfaceView(context, attrs) {
    constructor(context: Context): this(context, null) {
        setEGLContextClientVersion(2)
        setRenderer(SampleGLSurfaceViewRenderer())
        renderMode = RENDERMODE_CONTINUOUSLY
    }
}

view.SampleGLSurfaceViewRenderer.kt

import android.opengl.GLES20
import android.opengl.GLSurfaceView
import android.opengl.Matrix
import [project package uri].data.SampleGLData
import javax.microedition.khronos.egl.EGLConfig
import javax.microedition.khronos.opengles.GL10

class SampleGLSurfaceViewRenderer() : GLSurfaceView.Renderer {
    var vertexShader: Int = -1
    var fragmentShader: Int = -1
    var shaderProgram: Int = -1

    var attributeHandlers: MutableMap<String, Int> = mutableMapOf()
    var uniformHandlers: MutableMap<String, Int> = mutableMapOf()

    var sampleData: SampleGLData = SampleGLData()

    var modelMatrix: FloatArray = FloatArray(16)
    var viewMatrix: FloatArray = FloatArray(16)
    var perspectiveMatrix: FloatArray = FloatArray(16)

    var aspect: Float = 0.0f

    override fun onSurfaceCreated(gl: GL10?, config: EGLConfig?) {
        GLES20.glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f)

        initShadersAndProgram()

        initLocationHandlers()
    }

    override fun onSurfaceChanged(gl: GL10?, width: Int, height: Int) {
        GLES20.glViewport(0, 0, width, height)

        aspect = width * 1.0f / height
    }

    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT or GLES20.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        GLES20.glEnable(GLES20.GL_DEPTH_TEST)

        GLES20.glUseProgram(shaderProgram)

        attributeHandlers["position"]?.also { positionHandle ->
            GLES20.glEnableVertexAttribArray(positionHandle)

            GLES20.glVertexAttribPointer(positionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false, 12, sampleData.vertexBuffer)

            resetMvpMatrix()
            applyMvpMatrix()

            GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, sampleData.indicesBuffer.capacity(), GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, sampleData.indicesBuffer)

            resetMvpMatrix()
            Matrix.translateM(modelMatrix, 0, 0.0f, -4.0f, 0.0f)
            applyMvpMatrix()

            GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, sampleData.indicesBuffer.capacity(), GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, sampleData.indicesBuffer)

            GLES20.glDisableVertexAttribArray(positionHandle)
        }
    }

    private fun applyMvpMatrix() {
        uniformHandlers["mvpMatrix"]?.also { mvpMatrixHandler ->
            val mvpMatrix: FloatArray = FloatArray(16)
            Matrix.multiplyMM(mvpMatrix, 0, perspectiveMatrix, 0, viewMatrix, 0)
            Matrix.multiplyMM(mvpMatrix, 0, mvpMatrix, 0, modelMatrix, 0)

            GLES20.glUniformMatrix4fv(mvpMatrixHandler, 1, false, mvpMatrix, 0)
        }
    }

    private fun resetMvpMatrix() {
        Matrix.setIdentityM(modelMatrix, 0)

        Matrix.setLookAtM(viewMatrix, 0,
                0.0f, 0.4f, -1.0f,
                0.0f, 0.0f, 0.0f,
                0.0f, 1.0f, 0.0f)

        Matrix.perspectiveM(perspectiveMatrix, 0,
                120.0f,
                aspect,
                0.1f, 10.0f)
    }

    private fun initLocationHandlers() {
        attributeHandlers.put("position", GLES20.glGetAttribLocation(shaderProgram, "position"))

        uniformHandlers.put("mvpMatrix", GLES20.glGetUniformLocation(shaderProgram, "mvpMatrix"))
    }

    private fun initShadersAndProgram() {
        val vertexShaderSource = """
            attribute vec3 position;
            uniform mat4 mvpMatrix;
            void main(void) {
                gl_Position = mvpMatrix * vec4(position, 1.0);
            }
        """.trimIndent()

        val fragmentShaderSource = """
            precision mediump float;
            void main(void) {
                gl_FragColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
            }
        """.trimIndent()

        vertexShader = GLES20.glCreateShader(GLES20.GL_VERTEX_SHADER)
        GLES20.glShaderSource(vertexShader, vertexShaderSource)
        GLES20.glCompileShader(vertexShader)

        fragmentShader = GLES20.glCreateShader(GLES20.GL_FRAGMENT_SHADER)
        GLES20.glShaderSource(fragmentShader, fragmentShaderSource)
        GLES20.glCompileShader(fragmentShader)

        shaderProgram = GLES20.glCreateProgram()
        GLES20.glAttachShader(shaderProgram, vertexShader)
        GLES20.glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader)
        GLES20.glLinkProgram(shaderProgram)
    }
}

data.SampleGLData.kt

import java.nio.ByteBuffer
import java.nio.ByteOrder
import java.nio.FloatBuffer
import java.nio.ShortBuffer

class SampleGLData {
    var vertexCoords: Int = 4
    val vertexArray: FloatArray
    val vertexBuffer: FloatBuffer
    val indicesArray: ShortArray
    val indicesBuffer: ShortBuffer

    init {
        vertexArray = floatArrayOf(
                -1.0f, 1.0f, 1.0f,
                -1.0f, -1.0f, 1.0f,
                1.0f, -1.0f, 1.0f,
                1.0f, 1.0f, 1.0f
        )

        vertexBuffer = createFloatBuffer(vertexArray)

        indicesArray = shortArrayOf(
                0, 1, 2,
                0, 2, 3
        )

        indicesBuffer = createShortBuffer(indicesArray)
    }

    fun createFloatBuffer(array: FloatArray): FloatBuffer {
        return ByteBuffer.allocateDirect(array.size * 4).run {
            order(ByteOrder.nativeOrder())
            asFloatBuffer().apply {
                put(array)
                position(0)
            }
        }
    }

    fun createShortBuffer(array: ShortArray): ShortBuffer {
        return ByteBuffer.allocateDirect(array.size * 2).run {
            order(ByteOrder.nativeOrder())
            asShortBuffer().apply {
                put(array)
                position(0)
            }
        }
    }
}

tiitoiさん（2018/10/02 16:58）への回答

質問がわかりにくくてすみません。

ポリゴンをカメラからの視線に対して直角に設定するパラメータがわからない

ポリゴンをカメラからの視線に対して直角に設定する方法（メソッド、もしくは一連の処理）がわかりません。
全てのポリゴンがカメラの方向を向くように（四角形を正面で捉えた時に画面上に正方形として描画されるように）したいです。
ポリゴンを操作することになるのでおそらくモデル行列に対して変換を行うのだろうと予想してはいるのですが、今の所うまくいっていません。

Comments

[tiitoi]

質問のコードにあるようにビュー行列のパラメータを設定するだけだと思うのですが、ポリゴンをカメラからの視線に対して直角に設定するパラメータがわからないという質問でしょうか？

[退会済みユーザー]

ご質問ありがとうございます。質問本文追記しましたのでご確認いただけると幸いです。

Answer 1

Android の開発環境はないので具体的なコードは示せないのですが、OpneGL やカメラ行列についてコメントします。

オブジェクトの見る方向はビュー行列で定義されます。

質問のコードの以下の部分です。

//カメラの向きを作成
Matrix.setLookAtM(viewMatrix, 0,
    0.0f, 0.4f, -1.0f,  //カメラ位置
    0.0f, 0.0f, 0.0f,  //カメラの向き
   0.0f, 1.0f, 0.0f)  // カメラの上方向

カメラの位置が (0.0f, 0.4f, -1.0f) となっているので、Y軸方向に 0.4、z 軸方向に -1.0 の位置にカメラがあり、原点 (0, 0, 0) を見ている状態です。透視射影なので、画像で示されているような見え方になります。

例えば、このカメラの位置を (0, 0, 2) に設置すれば、原点に対して直線上に並ぶので正方形に見えるようになるのではないでしょうか。

引用元

OpenGL の座標系は次のようになることに注意してください。

思い通りの見え方にしたい場合、まずビュー行列について勉強されるといいと思います。

検索用キーワード

• 「OpenGL lookat」
• 「OpenGL ビュー行列」
• 「OpenGL カメラ」

参考リンク

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