[Direct11] 32. 3D Direct Application - Camera

1. 3D Direct Application

1.1 Camera

1.1.1 View Space

 - 시야 공간은 카메라에 부착된 좌표계, 카메라는 이 좌표계의 원점에 위치해 z축을 바라봄

   - 세계 공간에서 시야 공간으로의 좌표 변경 변환을 시야 변환, 해당 변환 행렬을 시야 행렬이라 부름

     - 세계 공간에서 시야 공간으로부터 변환 행렬을 수행하려면 역행렬을 통해 변환 행렬을 구함

       - 실제 물체를 이동하는것이 아닌 기준계가 세계 공간 좌표계에서 카메라 공간 좌표계로 변경

1.1.2 Cemera System

 - 카메라 클래스를 생성하여 중요한 두 종류의 정보를 저장

   - 카메라 좌표계를 규정하는 속성, 세계공간에서 시야 공간 좌표계의 해당하는 벡터

   - 카메라 렌즈에 비유할 수 있는 시야 절두체를 규정하는 속성, 시야각과 가까운 평면, 먼 평면 거리

class Camera

1.1.2.1 Projection Space Matrix

void Camera::SetLens(float fovY, float aspect, float zn, float zf);

 - 시야 절두체는 시야를 제어한다는 점에서 카메라의 렌즈에 해당

   - 절두체 속성들을 설정하고 투영 행렬도 생성

XMMATRIX P = ::XMMatrixPerspectiveFovLH(_fovY, _aspect, _nearZ, _farZ);
::XMStoreFloat4x4(&_proj, P);

1.1.2.2 Camera Transform

void Camera::Walk(float d);

 - 카메라를 시선 벡터를 따라 앞, 뒤로 움직이는 함수 생성, 카메라의 위치를 시선 벡터에 따라 이동시켜 구현

   - 현재 카메라의 앞 벡터, 즉 Look Vector와 움직이는 방향에 대해 곱한 후 카메라의 위치를 더함

     - 위에서 곱할 때 Look Vector는 카메라의 앞방향만 알고 있으므로 나머지 요소는 삭제

       - 삭제된 이후 카메라의 위치에서 더하게 된다면 앞으로 가거나 뒤로 갈 벡터를 생성함

XMVECTOR s = ::XMVectorReplicate(d);
XMVECTOR l = ::XMLoadFloat3(&_look); XMVECTOR p = ::XMLoadFloat3(&_position);
::XMStoreFloat3(&_position, ::XMVectorMultiplyAdd(s, l, p));

---

void Camera::Strafe(float d);

 - 카메라를 오른쪽 벡터에 따라 좌, 우로 움직이는 함수 생성, 카메라의 위치를 오른쪽 벡터에 따라 이동시켜 구현

   - 위와 비슷하게 오른쪽으로 이동하는 벡터, Right Vector를 사용하여 곱하고 카메라의 위치에 더함

XMVECTOR s = ::XMVectorReplicate(d);
XMVECTOR r = ::XMLoadFloat3(&_right); XMVECTOR p = ::XMLoadFloat3(&_position);
::XMStoreFloat3(&_position, XMVectorMultiplyAdd(s, r, p));

---

void Camera::Pitch(float angle);

 - 위, 아래를 훑어볼 수 있도록 카메라를 오른쪽 벡터에 대해 회전

   - 카메라의 Look Vector와 Up Vector를 이용하여 카메라 Right Vector 중심으로 회전함으로써 구현

     - Right Vector에 대한 축을 통해 Angle만큼 회전하는 행렬 생성

       - 회전 행렬을 통해 Up, Look Vector를 곱하여 위, 아래로 훑어볼 수 있도록 설정

XMMATRIX R = ::XMMatrixRotationAxis(::XMLoadFloat3(&_right), angle);
::XMStoreFloat3(&_up, ::XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&_up), R));
::XMStoreFloat3(&_look, ::XMVector3TransformNormal(XMLoadFloat3(&_look), R));

---

void Camera::RotateY(float angle);

 - 좌, 우를 훑어볼 수 있도록 카메라를 세계 공간의 Up Vector에 대해 회전

   - 세계 공간으로 부터 Angle만큼 회전하는 행렬 생성 후 위와 같이 모든 값으로 부터 곱하여 설정

XMMATRIX R  = XMMatrixRotationY(angle);
::XMStoreFloat3(&_right, ::XMVector3TransformNormal(::XMLoadFloat3(&_right), R));
::XMStoreFloat3(&_up, ::XMVector3TransformNormal(::XMLoadFloat3(&_up), R));
::XMStoreFloat3(&_look, ::XMVector3TransformNormal(::XMLoadFloat3(&_look), R));

1.1.2.3 Update View Matrix

void Camera::UpdateViewMatrix();

 - 카메라의 Up, Right, Look Vector를 다시 정규 직교화, 모두 서로 직교인 단위벡터들로 생성

   - 회전이 여러 번 반복되면 수치 오차가 누적되어 벡터들이 정규직교벡터가 아닐 수 있음

     - 정규직교가 아닐 경우 카메라 좌표계는 직교 좌표계가 아닌 특정방향으로 기울어진  좌표계가 되어 문제 발생

 - 카메라의 Up, Right, Look, Position Vector를 받아 새 변수로 적용하여 설정

XMVECTOR R = ::XMLoadFloat3(&_right); XMVECTOR U = ::XMLoadFloat3(&_up);
XMVECTOR L = ::XMLoadFloat3(&_look); XMVECTOR P = ::XMLoadFloat3(&_position);

   - Look Vector를 단위 벡터, 즉 정규화를 사용하여 Right Vector와 외적을 하면 직교 상태인 Up Vector를 구할 수 있음

L = ::XMVector3Normalize(L); U = ::XMVector3Normalize(::XMVector3Cross(L, R));

   - 이 후 Up Vector와 Look Vector를 외적한다면 직교 상태인 Right Vector를 생성할 수 있음\

R = ::XMVector3Cross(U, L);

     - 카메라의 위치를 통해 벡터를 생성할 수 있는데 나머지 적용하는 부분은 생략

::XMStoreFloat3(&_right, R); ::XMStoreFloat3(&_up, U); ::XMStoreFloat3(&_look, L);

1.1.3 C++ 응용프로그램

1.1.3.1 Camera

 - 응용 프로그램에서 카메라 시스템에 관한 변수를 클래스를 통해 사용하였기에 모든 카메라에 대한 변수 제거

   - 이후 카메라의 변수를 생성하여 적용

Camera _camera;

1.1.3.2 Resize

 - 응용 프로그램의 창을 변경할 때 투영 행렬을 갱신하는 작업을 카메라의 함수를 통해 적용

_camera.SetLens(0.25f * MathHelper::Pi, AspectRatio(), 1.0f, 1000.0f);

1.1.3.3 Update Scene & Draw Scene

 - 카메라의 위치를 이동할 때 카메라의 함수를 적용하여 이동

if (::GetAsyncKeyState('W') & 0x8000) _camera.Walk(10.0f * dt);
if (::GetAsyncKeyState('S') & 0x8000) _camera.Walk(-10.0f * dt);
if (::GetAsyncKeyState('A') & 0x8000) _camera.Strafe(-10.0f * dt);
if (::GetAsyncKeyState('D') & 0x8000) _camera.Strafe(10.0f * dt);

 - 장면을 렌더링할 때 카메라의 변수를 받아 적용하고 사용하고 카메라의 벡터들을 직교 상태로 적용

_camera.UpdateViewMatrix();
XMMATRIX view = _camera.View(); XMMATRIX proj = _camera.Proj();
XMMATRIX viewProj = _camera.ViewProj();

1.1.3.4 Mouse Move 

 - 마우스가 이동하고 클릭이 입력되었을 때 시선 방향을 변경

if ((btnState & MK_LBUTTON) != 0)
{
    float dx = XMConvertToRadians(0.25f * static_cast<float>(x - _lastMousePos.x));
    float dy = XMConvertToRadians(0.25f * static_cast<float>(y - _lastMousePos.y));

    _camera.Pitch(dy); _camera.RotateY(dx);
}
_lastMousePos.x = x; _lastMousePos.y = y;