LibGDX 游戏开发 之 各种坐标系

原文链接：https://github.com/libgdx/libgdx/wiki/Coordinate-systems
译者：重庆好爸爸 game4kids@163.com
谢绝转载

坐标系对比表 (译者注：为了方便查阅，因此译者做了个汇总表)

参数	Touch coordinates	Screen or image coordinates	Pixmap and texture coordinates	Normalized render coordinates	Normalized texture (UV) coordinates	World coordinates
Unit	像素	像素	不知道	1	1	应用相关, e.g. SI Units
System	Y轴向下	Y轴向上	不知道	Y轴向上	Y轴向上	application specific,一般Y轴向上
Type	整数	整数	不知道	浮点数	浮点数	浮点数
Range	左上角(0,0)； 右下角(Gdx.graphics.getWidth()-1, Gdx.graphics.getHeight()-1)	左下角(0,0)； 右上角(Gdx.graphics.getWidth()-1, Gdx.graphics.getHeight()-1)	不知道	(-1,-1) (左下角) to (+1,+1) (右上角)	(0,0) (左下角) to (1,1) (右上角)	应用相关
Usage	触摸/鼠标坐标系	viewport, scissors & pixmap	不知道	shaders	shaders, mesh, texture region, sprite	游戏逻辑
Dependence	设备相关	device/resource/asset specific	不知道	无	无	game/application

触摸坐标系Touch coordinates

从物理屏幕(应用程序窗口)的左上角像素开始，坐标系的尺寸和物理屏幕(应用程序窗口)相同。

每个坐标(x,y)其实是一个2维数组元素的索引，每个坐标都表示屏幕上的一个物理像素。既然是索引，那么每个坐标(x,y)都是整数，而不能是分数。这个坐标系通常也最接近于设备和OS的物理实现。如果你熟悉Canvas Graphics或者一些图像编辑器，那么你应该对此坐标系很熟悉了。你可能甚至想把这个坐标系作为你的默认坐标系，但建议你不要这么做。

每当使用鼠标或触摸坐标时，您将使用此坐标系。 您通常希望尽快将这些坐标转换为更方便的坐标系。 例如camera.unproject()或viewport.unproject()等方法将它们转换为世界坐标（见下文）。

Screen，Image 坐标系

这是和OpenGL对应的触摸坐标系; 即：它用于指定（索引）物理屏幕的某个(或者某一部分)像素。 它也用作内存中图像的索引器。 同样，坐标分量必须是整数而不能是分数。
触摸和屏幕坐标之间的唯一区别是触摸坐标是y向下，而屏幕坐标是y-up。 因此，它们之间的转换是相当容易的：

y = Gdx.graphics.getHeight（） - 1 - y;

通常使用这个坐标系的目的是需要指定要渲染的屏幕的某一部分。 例如，调用glViewport，glScissor或操纵Pixmap（见下文）。

在大多数情况下，你不需要使用这个坐标系，如果有的话，应该把游戏逻辑和坐标系隔离。camera.project()和viewport.project()方法可用于将世界单位转换为屏幕坐标。

Pixmap 和 texture coordinates

Pixmap坐标比较特殊。 Pixmap通常用于上传纹理数据。 例如，当将PNG图像文件加载到纹理时，首先将其解码（未压缩）到Pixmap(这是图像的原始像素数据)，然后将作为纹理复制到GPU。 然后可以就使用纹理渲染到屏幕。也可以通过代码修改或创建Bitmap，例如在上传为纹理数据之前。

“问题”就是OpenGL希望纹理数据是一个Y轴向上的image坐标系。 然而，大多数图像格式存储的时候是Y轴向下的。 LibGDX不会在两者之间转换图像数据（这将涉及逐行复制图像），而是简单地复制数据。 这实际上导致从Pixmap加载的纹理上下颠倒。

为了解决此纹理上下颠倒的问题，SpriteBatch会在渲染时在y轴上翻转纹理（UV）坐标（见下文）。 同样，fbx-conv也可以在y轴上翻转纹理坐标。 但是，当您使用一个不是通过Bitmap图像加载的纹理（例如Framebuffer）时，可能会导致纹理出现在上下颠倒的问题。

归一化渲染坐标系 Normalized render coordinates

上面提到的坐标系有个很大的问题是：都是和设备强相关的。为了解决这个问题，OpenGL允许你在渲染的时候，使用和设备无关的坐标系，系统将自动映射到screen坐标系。该坐标系在[-1，-1]和[+ 1，+ 1]范围内.（0,0）精确地在屏幕或framebuffer（渲染目标）的中心。

Vertex shader在此坐标系中输出（gl_Position）其坐标。 但除此之外，你不应该在实际的应用中使用这个坐标系。 它有时候在教学中使用。
值得注意的是：归一化的时候长宽比。 也就是说：X方向的刻度不会与Y方向的刻度成比例。 它们都在-1的范围内到+1，无论屏幕的长宽比。
应用程序决定如何处理各种宽高比（见下文world unit）。
坐标是浮点数，不再是索引器。 设备（GPU）将使用rasterisation将这些坐标映射到实际的屏幕像素。 一个很好的文章（虽然针对DirectX也适用于OpenGL）有关可以找到的更多信息这里.

Normalized texture (UV) coordinates

如果normalized render 坐标系一样，
Likewise to the normalized render coordinates, OpenGL也使用Normalized texture (UV) 坐标系。 唯一的区别是这些范围从[0,0]到[1,1]。 根据指定的wrap 功能，该范围之外的值将被映射到该范围内。

这些坐标也称为** UV坐标**。 在许多用例中，你不必处理它们。 通常这些值存储在 mesh或者TextureRegion中。

normalized texture 坐标系的使用非常重要， 因为它使它们独立于资产大小。 或者换句话说：它允许您使用缩小或缩放版本替换您的资产，而无需修改UV坐标。 使用这个例子的是mipmap.

当渲染时，GPU将UV坐标转换为纹理像素（纹理像素）。 这被称为“纹理采样”，并且基于纹理过滤。

世界坐标系 World coordinates

一般来说，你的游戏逻辑应该使用一个最适合于游戏逻辑的坐标系。这个坐标系应该和设备或者资源的尺寸无关。比如：通常使用的单位是米。世界坐标在顶点着色器中转换为归一化渲染坐标。Camera or Viewport用来做这件事的。比如：

为了保持长宽比例，可能需要加上黑边。Camera用来计算Matrix，Matrix的作用是将世界坐标系转换为camera相关的坐标系，还会考虑camera的位置和旋转考虑进去。
它还计算投影matrix，它将世界坐标转换为[-1，-1]到[+ 1，+ 1]范围内的Normalized render坐标系。 在2D游戏中，您几乎不需要区分这两个matrix，而只需要combined transformation matrix。 您可以将此矩阵传递给着色器，例如通过调用spriteBatch.setProjectionMatrix(camera.combined)方法。

您可以拥有多个camera或viewport，同样，你也可以拥有多个世界坐标系。 一个典型的游戏至少有两个世界坐标系，分别是：

GUI/HUD 坐标系 GUI/HUD coordinates

按钮，标签等固定元素在屏幕上始终可见。 通常它们涉及渲染文本。 例如在超级马里奥，时钟总是在屏幕的右上角可见，当马里奥在游戏世界中移动时，时钟不会移动。
最常见的是scene2d用于HUD，这意味着您将使用Viewport来定义坐标系。 该坐标系统通常在接近设备分辨率的范围内，以便在呈现字体时给出最佳结果。 这些坐标称为banana units。 这个摄像机实际上从来没有移动或旋转，它固定在一个位置，使得世界坐标（0,0）位于屏幕的左下角。

Game 坐标系 Game coordinates

这是适合您的游戏最适合，并用于实现游戏逻辑。 保持最佳浮点精度值是一个好的做法。 例如，你的主角高1.8米，树高10米，如果你正在制作一个单位和距离很高的银河系游戏，你可能想要使用例如 公里。
相机用于查看您的游戏世界，就像在现实世界中使用摄像机时一样。 相机可以移动，旋转和缩放，以在屏幕上显示世界的另一部分。