虚拟轨迹球旋转控制器

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引言

这段代码源于我一个（未完成的）项目：一个使用 OpenGL 库的实时 3D 预览的图形曲线编辑器。

起初，为了让用户从不同视角查看 3D 窗口中正在构建的对象，我只是简单地将鼠标移动与绕两个轴（通常是当相机沿 Z 轴时，绕 X 和 Y 轴）的旋转关联起来。

这种方法使用一段时间后就不令人满意了，因为它在对象“颠倒”时会产生一个奇怪的效果：鼠标向右移动会导致明显的向左旋转，反之亦然。

这种奇怪的效果是由于旋转必须相对于局部对象坐标系进行的。在后一种例子中，当对象颠倒时，它实际上是向右转的。

在计算机图形学文献中，有许多关于“直观”旋转控制器的论文；我认为 K. Shoemake 的 arcball 控制器是最好的解决方案之一：其思想是将鼠标移动投影到一个假设的、充满 3D 窗口的球体上，并在按下鼠标按钮时，将由操纵球体产生的旋转应用于对象。

内部

全局旋转在内部使用四元数表示和调整，而不是旋转矩阵，因为这种方法在处理小增量旋转时数值更稳定。

这个轨迹球融合了原始 arcball C 代码（用面向对象风格重写）以及 J. Childs 的虚拟轨迹球控制器（用于他的 GLcube 项目），而后者又源自 M. J. Kilgard 的 GLUT 库中的一些代码。

这两段代码有几个相似之处（例如都使用了四元数），但投影算法不同，因此我决定保留两者：J. Childs 的控制器将鼠标移动投影到球体外的一个抛物面片上，而 K. Shoemake 的控制器将鼠标移动投影到平面上；第一种方法（默认方法）有点更自然，因为它效果是连续的，而第二种方法在鼠标离开/进入虚拟球体时会 abrupt 中断。

在代码中，我（重新）使用了我常用的图形编程工具中的一套数学类，它注释良好，并包含一些可以使用 Doxygen 提取的文档。

用途

轨迹球代码在配套文章 CGLEnabledView - 支持 OpenGL 的 MDI 视图类 中得到了演示。

要在您的程序中使用 CBallController，请按照以下步骤操作：

1. 在需要的地方包含 BallController.h。
2. 在应用程序中的某个地方（我建议在视图类中）构造一个 CBallController，并在构造时指定虚拟球体的半径，半径范围从 0.1 到 1.0（半径为 1.0 表示球体完全填满窗口）。
3. [可选] 调用 SetAlternateMethod 或 ToggleMethod 成员函数来设置投影到球体的方法。
4. 在您的窗口大小调整处理程序例程中调用 ClientAreaResize 方法（也应在首次显示窗口之前调用），并将您的客户区大小作为参数传递。
5. [可选但推荐] 在您的键盘按下处理程序中调用 Key 方法，传递字符代码，以通过键盘进行操作（有关按键绑定，请参阅下文）。
6. [可选] 通过 UseConstraints 方法设置约束轴，可以通过 SetDrawConstraints 方法控制约束的绘制。
7. 在您的鼠标处理程序例程中调用 MouseDown、MouseMove 和 MouseMove 方法，传递以本地窗口坐标表示的鼠标坐标（原点在左上角）；在鼠标按钮拖动期间捕获窗口外的鼠标移动可能是一个好主意。
8. 在（重新）绘制场景之前调用 IssueGLrotation 方法。
9. [可选] 在绘制场景后调用 DrawBall 方法，让 BallController 在使用备用方法进行旋转时显示一些反馈。

其他方法
使用 GetDrawConstraints 可以检查约束绘制是否已激活。GetAngleKeyIncrement 和 SetAngleKeyIncrement 分别允许检索和设置键盘交互中使用的角度增量。GetColorV、GetColor、SetColor 和 SetColorV 指定或检索 DrawBall 方法使用的颜色，颜色可以以 COLORREF 结构或 [0-1] 范围的浮点数向量形式传递。
密钥

Esc	中断当前旋转操作（每次按下鼠标按钮都会开始一次旋转操作）
Canc 或 Numpad 5	重置当前旋转（对应于单位旋转矩阵）
右箭头 或 Numpad 6	绕 X 轴旋转 +keyIncrement 度
左箭头 或 Numpad 4	绕 X 轴旋转 -keyIncrement 度
上箭头 或 Numpad 8	绕 Y 轴旋转 +keyIncrement 度
下箭头 或 Numpad 2	绕 Y 轴旋转 -keyIncrement 度
Page Up 或 Numpad 9	绕 Z 轴旋转 +keyIncrement 度
Home 或 Numpad 7	绕 Z 轴旋转 -keyIncrement 度
TAB	在约束旋转期间切换约束轴

历史

修订	描述
0.2	首次公开发布
0.1	个人开发版本