二、OpenGL - 渲染技巧

1. 正背面剔除

1.在绘制3D场景的时候，我们需要决定哪些部分是对观察者可⻅的，或者哪些部分是不可见的。对于不可⻅的部分，应该及早丢弃，这种做法叫做隐藏⾯消除(Hide surface elimination)。

• 1. 油画算法
     先绘制场景中的离观察者较远的物体,再绘制较近的物体.
     先绘制红⾊部分,再绘制⻩⾊部分,最后再绘制灰⾊部分,即可解决隐藏⾯消除的
     问题

     
     image.png

但是如果出现类似下图三个视图叠加的情况，那么油画算法就无法处理了

image.png

• 2. 正背面剔除（Face Culling）
     观察一个立方体，我们最多可看到三个面，那么看不到的面我们就不要绘制，如果我们能以某种⽅式去丢弃这部分数据,OpenGL 在渲染的性能即可提⾼超过50%.
     任何平面都有两个面，正面和背面，OpenGL 可以做到检查所有正⾯朝向观察者的⾯,并渲染它们.从⽽丢弃背⾯朝向的⾯. 这样可以节约⽚元着⾊器的性能.
     通过分析顶点数据的顺序，我们可以告诉OpenGL哪个是正面，哪个是背面。

在OpenGL中，正背面的规定如下：

• 正⾯: 按照逆时针顶点连接顺序的三⻆形⾯

• 背⾯: 按照顺时针顶点连接顺序的三⻆形⾯

  
  image.png
  

  上图中以观察者的角度来说，右侧的三角形为正面，左侧的三角形为背面
  正⾯和背⾯是由三⻆形的顶点定义顺序和观察者⽅向共同决定的.随着观察者的⻆度⽅向的改变,正⾯背⾯也会跟着改变

• 3. OpenGL中的剔除

开启表面别除假默认背面别
void glEnable(GL_CULL_FACE);
关闭表面别除默认背面别除
void glDisable(GL_CULL_FACE);
⽤户选择剔除那个⾯(正⾯/背⾯)
void glCullFace(GLenum mode);
mode参数为: GL_FRONT,GL_BACK,GL_FRONT_AND_BACK ,默认GL_BACK 
⽤户指定绕序那个为正⾯
void glFrontFace(GLenum mode); 
mode参数为: GL_CW,GL_CCW,默认值:GL_CCW 
例如,剔除正⾯实现(1) 
glCullFace(GL_BACK); 
glFrontFace(GL_CW); 
例如,剔除正⾯实现(2) 
glCullFace(GL_FRONT);

未开启正背面剔除的效果如下图

image.png

开启之后的效果：

image.png

这个坑是又是什么鬼？不是已经剔除背面了吗？别急，接着往下看

2.深度

• 深度
  就是像素点在3D世界中距离摄像机的距离，即Z值。

• 深度缓冲区
  是⼀块内存区域,专⻔存储着每个像素点(绘制在屏幕上的)深度值.深度值越⼤,
  则离摄像机就越远

• 为什么要使用深度缓冲区？
  在不使⽤深度测试的时候，如果先绘制⼀个⽐较近的物体，再绘制较远的物体。较远的图像就会像油画一样覆盖掉之前的图像，有了深度缓冲区后，绘制物体的顺序就不那么重要了。
  只要通过开启了深度缓冲区，并允许深度值的写入，OpenGL都会把像素的深度值写入到缓冲区中。

• 深度测试
  深度缓冲区(DepthBuffer)和颜⾊缓存区(ColorBuffer)是对应的.颜⾊缓存区存储像素的颜⾊信
  息,⽽深度缓冲区存储像素的深度信息. 在决定是否绘制⼀个物体表⾯时, ⾸先要将表⾯对应的像
  素的深度值与当前深度缓冲区中的值进⾏⽐较. 如果⼤于深度缓冲区中的值,则丢弃这部分.否则
  利⽤这个像素对应的深度值和颜⾊值.分别更新深度缓冲区和颜⾊缓存区. 这个过程称为”深度测
  试”

• 深度值的计算
  深度值，⼀般由16位、24位或者32位值表示，通常是24位。位数越⾼的话，深度的精确度越
  好。深度值的范围在[0,1]之间，值越⼩表示越靠近观察者，值越⼤表示远离观察者。

• 使用深度测试
  开启深度测试

glEnable(GL_DEPTH_TEST); 

在绘制场景前,清除颜⾊缓存区,深度缓冲

glClearColor(0.0f,0.0f,0.0f,1.0f); 
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 

清除深度缓冲区默认值为1.0,表示最⼤的深度值,深度值的范围为(0,1)之间. 值越⼩表示越靠近观察者,值越⼤表示越远离观察者

• 指定深度测试判断模式

void glDepthFunc(GLEnum mode);

image.png

3. ZFighting闪烁

image.png

开启深度测试后,OpenGL 就不会再去绘制模型被遮挡的部分. 这样实现的显示更加真实.但是
由于深度缓冲区精度的限制对于深度相差⾮常⼩的情况下.(例如在同⼀平⾯上进⾏2次绘制),OpenGL 就可能出现不能正确判断两者的深度值,会导致深度测试的结果不可预测.显示出来的现象时交错闪烁.的前⾯2个画⾯,交错出现.

如何解决ZFighting闪烁呢？

• 1. 第⼀步：启⽤ Polygon Offset ⽅式解决
     让深度值之间产⽣间隔.

//启⽤Polygon Offset ⽅式
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL) 
参数列表: 
GL_POLYGON_OFFSET_POINT 对应光栅化模式: GL_POINT 
GL_POLYGON_OFFSET_LINE 对应光栅化模式: GL_LINE 
GL_POLYGON_OFFSET_FILL 对应光栅化模式: GL_FILL

• 2.第⼆步: 指定偏移量
  通过glPolygonOffset来指定2个参数 factor和units

glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

• 3.第三步：关闭偏移量

glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)

ZFighting预防

• 不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三⻆形叠在⼀起。如上⾯的⽴⽅体和平⾯问题中，将平⾯下移0.001f就可以解决这个问题
• 尽可能将近裁剪⾯设置得离观察者远⼀些。上⾯我们看到，在近裁剪平⾯附近，深度的精确度是很⾼的，因此尽可能让近裁剪⾯远⼀些的话，会使整个裁剪范围内的精确度变⾼⼀些。但是这种⽅式会使离观察者较近的物体被裁减掉，因此需要调试好裁剪⾯参数。
• 使⽤更⾼位数的深度缓冲区，通常使⽤的深度缓冲区是24位的，现在有⼀些硬件使⽤使⽤32位的缓冲区，使精确度得到提⾼