笔者:i_dovelemon
资源:CSDN
日期:2014 / 9 / 30
主题:View Frustum, Plane, View Matrix, Perspective Projection Matrix
引言
在3D图形学中，一种优化的手法，叫做物体剔除(Object Culling)。
这种技术的提出是基于这种策略：我们不希望将不存在View Frustum里面的物体送往流水线中进行处理。
尽管，你可能会说，如今的图形卡都已近支持了三角形剔除的技术。可是，不要忘了流水线的步骤。
我们是先进行Vertex Processing。然后才进行Geometry Processing。
而图形卡对三角形的剔除是在Geometry Processing这个阶段进行的。
也就是说，即使可以剔除它们，我们依旧要在Vertex Processing中对这些将来须要丢弃的顶点进行Vertex Processing处理。而我们知道。Vertex Processing这个阶段往往会进行坐标变换，光照计算等等费时的操作。所以，假设可以在Vertex Processing之前。也就是在Application阶段，在我们的CPU中将这些根本不须要处理的物体剔除的话。会大大的提高程序的效率。而想要将物体剔除，我们就须要知道这个物体是否在View Frustum中。
而为了推断这个条件，我们就须要确定构成View Frustum的6个平面的方程。
所以。本篇文章，就向大家讲述，怎样获取View Frustum的6个平面方程。
推理过程
想要获取View Frustum的6个面的方程。那么我们就须要知道，我们是怎么定义View Frustum的。
在我的博客栏目中。有一篇文章基本3D变换。在这篇文章中，我们知道，我们使用NearZ。 FarZ, Fov和Aspect这几个值来定义了View Frustum。
而这些值都保存在Projection Matrix中。所以，突破口就在这个Projection Matrix里面。
我们来回想下上面的文章。
基本3D变换这篇文章中讲述了主要的3D变换之World Transform, View Transform和Projection Transform。而且费了非常大的篇幅证明了Projection Matrix的作用以及它的推导过程。从中我们知道，Projection Matrix的作用是将View Frustum中的顶点。变换到一个Cubic空间中去。
这个空间的X的范围为[-1,1],Y轴的范围为[-1,1]。Z轴的范围为[0,1]。
那么，也就是说。原来View Frustum的6个平面，在经过了变换之后。变成了Cubic的6个面。
那么，我们是否能通过这6个面，来获取还原原来的View Frustum的6个面了。
答案是肯定的。可是我们并非直接获取到6个平面的方程。而是使用一种等价的方式推导出这6个面的。以下我们来看下。
我们知道，在世界坐标空间View Frustum中的一个点S，经过了M = ViewMatrix * ProjMatrix变换之后，就变换到了Cubic的空间中去了。所以。我们能够得到例如以下的结论：
T = S * M (1)
变换后的T是一个齐次坐标。它的w分量不再是1,我们来看下T.w究竟等于什么。
在世界坐标空间中。顶点的w值都为1。所以与View Matrix相乘之后。它的w变成了 ：
w' = [x,y,z,w] * [ViewM.03, ViewM.13, ViewM.23, ViewM.33] = [x,y,z,w] * [0, 0, 0, 1] = w = 1 (2)
再与Proj Matrix相乘之后，w‘变成了：
w'' = [x',y',z',w'] * [ProjM.03, ProjM.13, ProjM.23, ProjM.33] = [x, y, z , w'] * [ 0, 0, 1, 0] = z' (3)
也就是说，顶点在经过了View Transform 和 Projection Transform之后，它的w分量变成了顶点在相机空间中的z值。
我们将T化成U。当中U.w = 1。而如今的U就处在Cubic空间中。
我们知道Cubic空间的X范围为[-1,1]，那么就是说：
-1 <= U.x <= T.x / T.w (4)
通过公式(3)，我们知道T.w = z'。即等于在相机空间中的z值。
而View Frustum中的顶点在相机坐标空间中的z值都是大于0的。所以又能够得到例如以下的公式：
T.x + T.w >= 0 (5)
通过公式(1)，我们能够知道例如以下：
T.x = S * Mcol0 , T.w = S * Mcol3 (6)
将公式(6)带入公式(5)。得到例如以下:
S*Mcol0 + S*Mcol3 >= 0 ==> S * (Mcol0 + Mcol3) >= 0 (7)
因为Mcol0和Mcol3都是一个向量，他们的和也能够用一个向量N来表示，所以就变成了
S * N >= 0 ==> S.x * N.x + S.y * N.y + S.z * N.z + S.w * N.w >= 0 ==> S.x*N.x + S.y*N.y + S.z*N.z + N.w >= 0 (8)
我们来回忆下，在DirectX中，平面是怎样保存的。在DirectX中，D3DXPLANE中有两个属性来唯一确定。它们各自是平面的法向向量N'。以及原点到这个平面的有向距离d来表示。
假设一个点S’在平面的正半空间中，那么我们将这个点带入到DirectX的平面方程中:
S' * N' + d > 0 ==> S'.x*N'.x + S'.y*N'.y + S'.z*N‘.z + d >= 0 (9)
读者自己比对下公式(8)和公式(9)。就会发现，它们是惊人的相似。仅仅只是这里的d，变成了N.w而已。所以。我们全然能够将公式(8)中的N和N.w抽取出来。作为D3DXPLNE中的N和d，来构成一个平面。而这个平面就是View Frustum的Left平面。在上面，我们已经如果了U.x>=-1。也就是说，这里的情况下，得到的Left平面，它的法向向量是指向View Frustum里面的。如果想要指向外面仅仅要将公式(8)中的N反向就可以。
相同的方法，我们能够推导出其它几个面的方程。
总结
通过上面的推导，我们就能够得到例如以下的结论：
Left平面: 0 =( Mcol3 + Mcol0) * [x,y,z,w]
Right平面: 0 = (Mcol3 - Mcol0) * [x,y,z,w]
NearZ平面: 0 = Mcol2 * [x,y,z,w]
FarZ平面: 0 = (Mcol3 - Mcol2) * [x,y,z,w]
Top平面: 0 = (Mcol3 - Mcol1) * [x,y,z,w]
Bottom平面: 0 = (Mcol3 + Mcol1) * [x,y,z,w]
只是注意，上面的平面都是没有进行归一化的平面。使用的时候。最好使用D3DXNormalizePlane进行归一化操作。
好了，今天就到这里。
下一篇文章，会向大家讲述。怎样进行检測，推关闭对象是否View Frustum外用。
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