OpenGL学习之渲染技巧
一、正背面踢除（Face Culling）
在渲染3D场景过程中可能会产生以下问题
- 我们需要决定哪些部分是对观察者可⻅的,或者哪些部分是对观察者不可见的？
- 对于不可见的我们应该怎么处理？
解决方案
1. 油画算法
- 先绘制场景中较远的物体，再绘制较近的物体
弊端
- 使⽤用油画算法,只要将场景按照物理理距离观察者的距离远近排序,由远及近的绘制即可.那么会出现 什什么问题? 如果三个三⻆角形是叠加的情况,油画算法将⽆无法处理理.
2. 正背面踢除（Face Culling）
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以一个正方形为例，我们正常看到的只有三个面，那么背后三个看不见的面就可以不用绘制，
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如果我们丢弃这部分数据，OpenGL的渲染速度提升50%;
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OpenGL 可以做到检查所有正⾯面朝向观察者的⾯面,并渲染它们.从⽽而丢弃背⾯面朝向的⾯面. 这样可以 节约⽚片元着⾊色器器的性能.
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OpenGL通过分析顶点数据的顺序来判断哪个是正面，哪个是背面。
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一般我们绘制三角形的时候，使用逆时针绘制时时正面，顺时针绘制时时背面。
3.使用方法
- 开启表面面剔除(默认背⾯面剔除)
void glEnable(GT_CULL_FACE);
- 关闭表面踢除
void glDisable(GL_CULL_FACE);
- 用户踢除哪个面（正面/背面）
void glCullFace(GLenum mode);
mode参数为：GL_FONT,GL_BACK,GL_FONT_BACK, 默认GL_BACK
- 用户指定的哪个绕续为正面
void glFontFace(GLenum mode);
mode参数：GL_CW、GL_GL_CCW，默认GL_CCW;
4.使用例子
- 踢除正面实现1
void glCullFace(GL_FONT);
- 踢除正面实现1
void glCullFace(GL_BACK);
void glFontFace(CL_CW);
二、深度
1. 了解深度
1.1 什么是深度？
深度就是在3D世界中的世界坐标系中距离相机的距离，就是z值。
1.2 深度缓冲区
深度缓冲区就是一块内存区域，专门存储每个像素点的深度值，深度值（z值）越大，距离相机越远
1.3 为什么需要深度缓冲区
在不使⽤深度测试的时候,如果我们先绘制一个距离比较近的物体,再绘制距离较远的物体,则距离远的位图因为后绘制,会把距离近的物体覆盖掉. 有了深度缓冲区后,绘制物体的顺序就不那么重要的. 实际上,只要存在深度缓冲区,OpenGL 都会把像素的深度值写入到缓冲区中. 除⾮调⽤ glDepthMask(GL_FALSE).来禁⽌写⼊
2.深度测试
深度缓冲区和颜色缓冲区是相对应的。颜色缓冲区存储着像素的颜色信息，深度缓冲区存储着像素的深度信息。再决定绘制一个物体表面时，首先要拿当前像素的深度值与深度缓冲区的深度值进行比较，如果大于深度缓冲区的深度值就丢弃，否则使用这个像素像素的对应的颜色值和深度值绘制，分别更新深度缓冲区和颜色缓冲区。这叫深度测试。
2.1 使用深度测试
- 开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
在绘制场景前,清除颜⾊色缓存区,深度缓冲
glClearColor(1.0f,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
- 关闭深度测试
glDisable(GL_DEPTH_TEST);
- 指定深度测试判断模式
void glDepthFunc(GLEnum mode);
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| GL_ALWAYS | 总是测试通过的 |
| GL_NEVER | 总是不通过测试 |
| GL_LESS | 当前深度值 < 存储的深度值时通过（默认） |
| GL_EQUAL | 当前深度值 = 存储的深度值时通过 |
| GL_LLEQUAL | 当前深度值 <= 存储的深度值时通过 |
| GL_GREARTER | 当前深度值 > 存储的深度值时通过 |
| GL_NOTEQUAL | 当前深度值 != 存储的深度值时通过 |
| GL_GEQUAL | 当前深度值 >= 存储的深度值时通过 |
- 打开/阻断 深度缓存区写⼊入
// value : GL_TURE 开启深度缓冲区写入; GL_FALSE 关闭深度缓冲区写⼊
void glDepthMask(GLBool value);
四、ZFighting闪烁问题
1. 问题原因
因为开启深度测试后,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
2.解决办法
第1步、启用 Polygon Offset 方式解决
解决方法: 让深度值之间产生间隔.如果2个图形之间有间隔,是不是意味着就不会产⽣⼲涉.可以理解为在执行深度测试前将立⽅体的深度值做⼀些细微的增加.于是就能将叠的2个图形深度值之前有所区分.
//启⽤用Polygon Offset ⽅方式
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
参数列列表:
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
第2步、指定偏移量
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通过glPolygonOffset 来指定.glPolygonOffset 需要2个参数: factor , units 每个Fragment 的深度值都会增加如下所示的偏移量量:
Offset = ( m * factor ) + ( r * units);
m : 多边形的深度的斜率的最大值,理解一个多边形越是与近裁剪⾯平行,m 就越接近于0.
r : 能产⽣于窗口坐标系的深度值中可分辨的差异最小值.r 是由具体OpenGL 平台指定的⼀个常量. -
一个⼤于0的Offset 会把模型推到离你(摄像机)更远的位置,相应的⼀个小于0的Offset 会把模型拉近
-
⼀般⽽言,只需要将-1.0 和 -1 这样简单赋值给glPolygonOffset 基本可以满⾜足需求.
第3步: 关闭Polygon Offset
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
2.2 ZFighting闪烁问题预防
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不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三⻆角形叠在一起。这种方式要求对场景中物体插入⼀一个少量的偏移，那么就可能避免ZFighting现象。例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。当然手动去插入这个小的偏移是要付出代价的。
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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。
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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32位的缓冲区，使精确度得到提高
五 剪裁
在OpenGL 中提⾼渲染的一种⽅式.只刷新屏幕上发⽣变化的部分.OpenGL允许将要进⾏渲染的窗⼝只去指定一个裁剪框.
基本原理:⽤于渲染时限制绘制区域，通过此技术可以再屏幕(帧缓冲)指定一个矩形区域。
启⽤剪裁测试之后，不在此矩形区域内的片元被丢弃，只有在此矩形区域内的片元才有可能进⼊帧缓冲。因此实际达到的效果就是在屏幕上开辟了一个小窗⼝，可以再其中进行指定内容的绘制。
//1 开启裁剪测试 glEnable(GL_SCISSOR_TEST);
//2.关闭裁剪测试 glDisable(GL_SCISSOR_TEST);
//3.指定裁剪窗⼝口
void glScissor(Glint x,Glint y,GLSize width,GLSize height);
x,y:指定裁剪框左下⻆角位置; width , height:指定裁剪尺⼨寸
六 混合
我们把OpenGL 渲染时会把颜色值存在颜色缓存区中，每个片段的深度值也是放在深度缓冲区。当深度缓冲区被关闭时，新的颜色将简单的覆盖原来颜色缓存区存在的颜色值，当深度缓冲区再次打开时，新的颜色片段只是当它们比原来的值更接近邻近的裁剪平面才会替换原来的颜⾊⽚段。
glEnabled(GL_BLEND);
1.组合颜色公式
⽬标颜⾊:已经存储在颜色缓存区的颜色值
源颜⾊:作为当前渲染命令结果进入颜色缓存区的颜⾊值
当混合功能被启动时，源颜色和⽬标颜色的组合方式是混合⽅程式控制的。在默认情况下，混合⽅程式如下所示:
Cf = (Cs * S) + (Cd * D)
Cf :最终计算参数的颜⾊
Cs :源颜⾊
Cd :⽬标颜⾊
S :源混合因⼦
D :⽬标混合因⼦
1.1混合因子
设置混合因子，需要⽤到glBlendFun函数
glBlendFunc(GLenum S,GLenum D);
S:源混合因⼦
D:⽬标混合因⼦
表中R、G、B、A 分别代表 红、绿、蓝、alpha。
表中下标S、D，分别代表源、目标
表中C 代表常量颜⾊(默认⿊色)
1.2
下⾯通过⼀个常见的混合函数组合来说明问题；
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
如果颜⾊缓存区已经有一种颜色红色(1.0f,0.0f,0.0f,0.0f),这个⽬标颜色Cd，如果在这上面⽤⼀种alpha为0.6的蓝色(0.0f,0.0f,1.0f,0.6f)
Cd (⽬标颜色) = (1.0f,0.0f,0.0f,0.0f);
Cs (源颜色) = (0.0f,0.0f,1.0f,0.6f);
S = 源alpha值 = 0.6f
D = 1 - 源
alpha值= 1-0.6f = 0.4f
⽅程式Cf = (Cs * S) + (Cd * D)
等价于 = (Blue * 0.6f) + (Red * 0.4f)
