Arduino + OLED12864 做一个简单的3d线框渲染引擎（附ssd1306的库）更新库和投影变换
本帖最后由 微风森林 于 2016-2-17 21:48 编辑(代码已改为透视投影，但视频和图还是正交投影的视频，懒得再改了~~大家看我下面回复的那种效果吧)
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提到3d渲染引擎，大家都会有一种遥不可及的感觉，对吧？？
其实呢，没那么复杂。比如，我们用arduino就能完成3d引擎的两个步骤之一： vertex操作。（另一个是pixel/fragment操作）
只要空间数学功底好，3d其实就是对顶点的旋转，连接构成面，然后贴图而已。当然贴图用arduino基本上是不可能的。。。
我们的做法是什么呢？先给出3d物体的各个顶点坐标，指定顶点的连接顺序，然后将3d坐标正交投影到2d的屏幕上来，按连接顺序连线
什么？不知道正交投影？呵呵，这个词看似高端，其实就是这么回事啦：丢掉z坐标，只保留x,y，就能跟屏幕坐标系对应了
为了抛砖引玉,我们来最简单的一个场景：旋转一个立方体
我们对立方体进行旋转，获得旋转后的坐标，然后丢掉z，保留x和y，之后，按照规定好的连接顺序，将屏幕上的点连接起来
就这么简单！如果有兴趣，大家可以自己yy一个物体，把顶点替换掉代码里的，规定好连接顺序（第几个点和第几个点相连），就可以显示自制物体啦~~
//作者：微风森林
#define OLED_DC 9
#define OLED_CS 12
#define OLED_RESET 10
#include <SSD1306.h>
#include <SPI.h>
#include "MyObj.h"
SSD1306 oled(OLED_DC, OLED_RESET,OLED_CS);
static MyVertex mp[] ={{ -16, -16,-16}, \
{16, -16, -16}, \
{16, 16, -16}, \
{-16, 16, -16}, \
{-16, -16,16}, \
{16, -16, 16}, \
{16, 16, 16}, \
{-16, 16, 16}
};
static MyEdge me[] ={{0, 1}, \
{1, 2}, \
{2, 3}, \
{3, 0}, \
{4, 5}, \
{5, 6}, \
{6, 7}, \
{7, 4}, \
{0, 4}, \
{1, 5}, \
{2, 6}, \
{3, 7}
};
MyObjectobj={0, 0, mp, me,{1,0,0,0},{0,0,0}};
void setup() {
Serial.begin(9600);
SPI.setClockDivider(0);
SPI.begin();
//correct vertex num and edge num
obj.numv=sizeof(mp)/sizeof(MyVertex);
obj.nume=sizeof(me)/sizeof(MyEdge);
oled.ssd1306_init(SSD1306_SWITCHCAPVCC);
oled.display(); // show splashscreen
delay(1000);
oled.ssd1306_command(SSD1306_INVERTDISPLAY); //图像反色，注释掉则为黑底白图
oled.clear(); // clears the screen and buffer
moveObject(obj,0,0,70);
renderObject(obj);
oled.display();
}
static float qdelta={0.999847695f,0,0.0174524f,0};
static float qview={0.25881904510252076234889883762405f,0.9659258262890682867497431997289f,0,0};
static float qtemp;
#define near 1.0
#define far 100.0
#define right 1.8
#define top 1.8
static float proj={
near/right, 0, 0, 0, \
0, near/top, 0, 0
// 0, 0, -(far+near)/(far-near), -2*far*near/(far-near),
// 0, 0, -1, 0
};
void loop()
{
rotateObject(obj,qdelta);
oled.clear(); // clears the screen and buffer
renderObject(obj);
oled.display();
}
void moveObject(MyObject &mo, float x, float y, float z) {
mo.offset=x;
mo.offset=y;
mo.offset=z;
}
void rotateObject(MyObject &mo, float* q) {
qproduct(q,obj.quat,qtemp);
mo.quat=qtemp;
mo.quat=qtemp;
mo.quat=qtemp;
mo.quat=qtemp;
qnormalized(qtemp);
}
void renderObject(MyObject &mo) {
MyVertex* mv=new MyVertex;
qproduct(qview,mo.quat,qtemp);
for (int i = 0; i < mo.numv; i++) {
float vtemp;
iqRot(qtemp,mo.v.location,vtemp);
vtemp += mo.offset;
vtemp += mo.offset;
vtemp += mo.offset;
MatMulVect(proj, vtemp, mv.location);
}
for (int i = 0; i < mo.nume; i++) {
int8_t p1 = mo.e.connection;
int8_t p2 = mo.e.connection;
oled.drawline(mv.location+64, mv.location+32, mv.location+64, mv.location+32, WHITE);
}
delete mv;
}
float iqRot(float q[],int8_t v[],float result[]){
float prod;
prod =- q * v - q * v - q * v;
prod = q * v + q * v - q * v;
prod = q * v - q * v + q * v;
prod = q * v + q * v - q * v;
result = -prod * q + prod * q - prod * q + prod * q;
result = -prod * q + prod * q + prod * q - prod * q;
result = -prod * q - prod * q + prod * q + prod * q;
}
void qproduct(const float* p, const float* q, float* qr) {
qr = p * q - p * q - p * q - p * q;
qr = p * q + p * q + p * q - p * q;
qr = p * q - p * q + p * q + p * q;
qr = p * q + p * q - p * q + p * q;
}
void qnormalized(float* q) {
float invnorm;
invnorm = fastinvsqrt(q * q + q * q + q * q + q * q);
if (invnorm < 100000000) {
q *= invnorm;
q *= invnorm;
q *= invnorm;
q *= invnorm;
} else {
q = 1;
q = 0;
q = 0;
q = 0;
}
}
float fastinvsqrt(float x) {
float halfx = 0.5f * x;
float y = x;
long i = *(long*)&y;
i = 0x5f3759df - (i>>1);
y = *(float*)&i;
y = y * (1.5f - (halfx * y * y));
return y;
}
float MatMulVect(float M[], float V[], int8_t result[]){
for(uint8_t i=0; i<2; i++){
result = (M*V+M*V+M*V+M)/-V*128;
}
}
这是程序主体文件。SCL连13，SDA连11，RST连10，D/C连9。如果大家的oled还有使能脚CE，请连着12脚，或者直接把使能脚接VCC或GND，都试试看哪个可以点亮
我们还有个自定义的结构体定义，请存为MyObj.h并放入代码同一目录中
typedef struct Vertex{
int8_t location;
}MyVertex;
typedef struct Edge{
int8_t connection;
}MyEdge;
typedef struct Object{
int numv;
int nume;
MyVertex* v;
MyEdge* e;
float quat;
float offset;
}MyObject;
第三，我使用的OLED库文件叫做SSD1306，请将库文件解压放入arduino的library目录中
大功已告成！可以看代码很简单，对顶点的旋转用到了四元数，这基本上是各种3d引擎的基本运算了。如果这个旋转四元数用imu融合的四元数会怎样？大家自己去试吧~~
PS:我这边代码会让oled屏幕有几个亮点，初步分析是数组越界访问了oled的framebuffer，懒得去仔细分析了，如果大家分析出是哪里有问题请麻烦告知一声
本程序是最简单的正交投影的情况。如果需要实现正常的视锥体透视投影，需要计算一个投影矩阵。由于是抛砖引玉我这里就不去做的，感兴趣可以翻翻资料，以后有空我也会讲讲
http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ2MTgwNjA3Ng==.html
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新增纸飞机代码如下
static MyVertex mp[] ={{-20,0,-20}, \
{0,0,20}, \
{20,0,-20}, \
{0,0,-20}, \
{0,10,-20}
};
static MyEdge me[] ={{0, 1}, \
{1, 2}, \
{2, 3}, \
{3, 4}, \
{4, 1}, \
{1, 3}, \
{3, 0}
};
http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ2MzA2OTgwOA==.html
======================================
新增一辆简单坦克如下
注，为了节约内存，代码做了一些修改并已同步，之前copy的同学可以重新copy一下
static MyVertex mp[] ={
{15,10,16}, \
{15,10,-21}, \
{-15,10,-21}, \
{-15,10,16}, \
{15,0,23}, \
{15,0,-27}, \
{-15,0,-27}, \
{-15,0,23}, \
{12,0,9}, \
{-12,0,9}, \
{-12,0,-18}, \
{12,0,-18}, \
{9,-6,6}, \
{-9,-6,6}, \
{-9,-6,-15}, \
{9,-6,-15}, \
{0,-3,7.5}, \
{0,-3,38}, \
{-3,-3,38}, \
{3,-3,38}
};
static MyEdge me[] ={
{0, 1}, \
// {1, 2}, \
{2, 3}, \
// {3, 0}, \
{4, 5}, \
{5, 6}, \
{6, 7}, \
{7, 4}, \
{0, 4}, \
{1, 5}, \
{2, 6}, \
{3, 7}, \
{8, 9}, \
{9, 10}, \
{10, 11}, \
{11, 8}, \
{12, 13}, \
{13, 14}, \
{14, 15}, \
{15, 12}, \
{8, 12}, \
{9, 13}, \
{10, 14}, \
{11, 15}, \
{16, 17}, \
{17, 18}, \
{17, 19}
};
http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ2MzIwMzA5Ng==.html 帅，加个陀螺仪，搞成自动的:lol 本帖最后由 微风森林 于 2016-2-1 20:42 编辑
麦克小小狼 发表于 2016-2-1 18:34 static/image/common/back.gif
帅，加个陀螺仪，搞成自动的
mpu6050我已经试过了:lol 我弄了个飞机模型来转
纸飞机模型如下：
static MyVertex mp[] ={{-20,0,-20}, \
{0,0,20}, \
{20,0,-20}, \
{0,0,-20}, \
{0,10,-20}
};
static MyEdge me[] ={{0, 1}, \
{1, 2}, \
{2, 3}, \
{3, 4}, \
{4, 1}, \
{1, 3}, \
{3, 0}
};
MyObjectobj={5, 7, mp, me,{1,0,0,0},{0,0,0}}; 非常棒，收藏了 :)非常棒，收藏了 本帖最后由 微风森林 于 2016-2-6 00:12 编辑
加入透视投影矩阵后的效果，是这样
http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ2NTU4MDI0MA==.html
也就是所谓的近大远小的透视规律。以后有空，我会跟大家说说这个矩阵 编译出错呀小哥，1.6.5。你用的是什么版本的IDE呢。
C:\Users\Test\AppData\Local\Temp\build5938115168946750201.tmp/core.a(main.cpp.o): In function `main':
C:\Program Files\Arduino\hardware\arduino\avr\cores\arduino/main.cpp:40: undefined reference to `setup'
C:\Program Files\Arduino\hardware\arduino\avr\cores\arduino/main.cpp:43: undefined reference to `loop'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status
Error compiling. 本帖最后由 微风森林 于 2016-2-17 19:13 编辑
febao8310 发表于 2016-2-13 21:15 static/image/common/back.gif
编译出错呀小哥，1.6.5。你用的是什么版本的IDE呢。
C:\Users\Test\AppData\Local\Temp\build593811516894 ...
我也是1.6.5。你这错误....应该是ide抽风了吧。
第一个代码文件是ino文档，第二个代码文件要存成.h头文件，放入同一个目录 主程序已更新了透视投影变换的矩阵，大家可以试试
库也已经修改了不合理地方，现在不会出现内存泄露的问题了
不过这个矩阵讲起来比较麻烦，如有需要，我可以找个时间讲讲 我只能说！你很牛b 我来搬运些基础知识：
https://www.ntu.edu.sg/home/ehchua/programming/opengl/CG_BasicsTheory.html 吊暴了，表示支持，加油。 谢谢楼主分享~\(≧▽≦)/~啦啦啦 楼主好厉害，我想问一下怎么让它转到特定角度呢，而不是只是旋转 这个得收藏~~
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