OpenGL深度测试

在上一篇OpenGL正背面剔除中提到了正背面剔除的弊端：如果前后两个点都是正面或是背面，这时OpenGL无法区分哪个面在前，哪个面在后，就可能出现下图所示的问题。

正背面区分问题.png

为了解决这个问题，就引出了深度测试。

一、什么是深度？

1. 定义

深度其实就是该像素点在3D世界中距离观察者的距离—Z值。

2.深度值计算

深度值⼀般由16位，24位或者32位值表示，通常是24位。位数越⾼高的话，深度的精确度越好。

深度缓冲主要是通过计算深度值来比较⼤小，在深度缓冲区中包含深度值介于 0.0 和 1.0 之间， 从观察者看到其内容与场景中的所有对象的 z 值进⾏了⽐较。这些视图空间中的 z 值可以在投影平头截体的近平面和远平面之间的任何值。我们因此需要一些方法来转换这些视图空间 z 值到 [0，1] 的范围内,下面的 (线性) 方程把 z 值转换为 0.0 和 1.0 之间的值 :

far和near是提供到投影矩阵设置可见视图截锥的远近值.png

3. Z值与观察者的关系

观察者可以放在坐标系的任意位置。所以，不能简单的说Z值越大或越小，观察者就越靠近物体。

• 如果观察者在Z轴的正方向，Z值越大则越靠近观察者；
• 如果观察者在Z轴的负方向，Z值越小则越靠近观察者

二、什么是深度缓冲区?

1. 定义

深度缓存区,就是⼀块内存区域,专⻔门存储着每个像素点(绘制在屏幕上的)深度值。

2. 深度缓冲区在哪里？

深度缓冲区存储在显存中。

3. 深度缓冲区原理

深度缓冲区就是把距离观察者平面（近裁剪面）的深度值与窗口中的每个像素点1对1进行关联和存储。分辨率为 120 * 120 图片则存储 120 * 120 个深度值。

三、深度测试

深度缓冲区(DepthBuffer)和颜⾊色缓存区(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，首先要将要绘制像素的深度值（新值）与当前深度缓冲区的深度值（旧值）进行比较。如果 新值 > 旧值，则丢弃这部分不进行绘制。否则，将这个像素对应的深度值和颜⾊色值—新值，更新到深度缓冲区和颜色缓存区。这个过程称为深度测试。

深度测试主要函数

• 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。清除深度缓冲区默认值为1.0。

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

• 指定深度测试判断模式

void glDepthFunc(GLEnum mode);

函数	说明
GL_ALWAYS	总是通过测试
GL_NEVER	总是不通过测试
GL_LESS	在当前深度值 < 存储的深度值时通过
GL_GREATER	在当前深度值 > 存储的深度值时通过
GL_EQUAL	在当前深度值 == 存储的深度值时通过
GL_LEQUAL	在当前深度值 <= 存储的深度值时通过
GL_GEQUAL	在当前深度值 >= 存储的深度值时通过
GL_NOTEQUAL	在当前深度值 != 存储的深度值时通过

• 深度缓冲区写入开关

//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、正背面剔除问题解决

到这里上图中正背面剔除弊端的问题就迎刃而解了，开启深度测试将新旧深度值的对比，决定像素点是绘制还是丢弃，就不会出现分不清正背面的问题了。

设置深度测试开关

开启和关闭的逻辑，主要取决于右键菜单的点击次数，第一次打开，第二次关闭，以此类推

//根据设置iDepth标记来判断是否开启深度测试
    if(iDepth)
        glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    else
        glDisable(GL_DEPTH_TEST);

五、深度测试ZFighting闪烁问题

开启深度缓冲区后，由于深度值精度的限制，对于相差非常小的深度值(比如在同一个深度进行2次渲染)，就可能出现不能正确区分两个深度值的问题，导致测试的结果随机出现。所以，显示时2个画⾯交错出现，就会出现闪烁问题。如下图所示：

ZFighting闪烁问题.png

1. 解决方案 — 多边形偏移（Polygon Offset）

其问题产生的主要原因是由于图形靠的太近，导致无法区分出图层先后次序，针对该问题，OpenGL提供了一种多边形偏移（Polygon Offset）方案

• 启用多边形偏移（Polygon Offset）

glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)

多边形偏移枚举值	对应的光栅化模式
GL_POLYGON_OFFSET_FILL	GL_FILL
GL_POLYGON_OFFSET_LINE	GL_LINE
GL_POLYGON_OFFSET_POINT	GL_POINT

• 指定偏移量 （参数一般填 -1 和 -1）

void glPolygonOffset(Glfloat factor, Glfloat units);

• 关闭多边形偏移（Polygon Offset）

// 参数和开启的参数相同
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

2. 问题预防

• 不要将两个物体靠的太近。
  避免渲染时三⻆形叠在一起。
• 尽可能将近裁剪面设置得离观察者远一些。
  如果观察者离近裁剪平⾯很近，那么深度测试对精确度要求很⾼。因此，可以适当推远近裁剪平⾯的位置来避免这个问题，但是可能导致离观察者较近的物体被裁减掉，使用时需要小心。
• 使用更高位数的深度缓冲区。
  默认的深度缓冲区精度是24位的，如果硬件支持32位的缓冲区，就可以提供更高的精度。