OpenGL笔记四：正背面剔除、深度测试、颜色混合
前言
期待您移步上篇：OpenGL笔记三：固定管线着色器和基本图元
- 渲染过程中可能产⽣的问题：
在绘制3D场景的时候,我们需要决定哪些部分是对观察者 可⻅见的,或者哪些部分是对观察者不可⻅见的.对于不可⻅见的 部分,应该及早丢弃.例如在⼀个不透明的墙壁后,就不应该 渲染.这种情况叫做”隐藏⾯消除”(Hidden surface elimination).
油画算法
- 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. - 油画法弊端
使⽤油画算法,只要将场景按照物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 什么问题? 如果三个三⻆角形是叠加的情况,油画算法将⽆法处理.
正背⾯剔除(Face Culling)
尝试相信⼀个3D图形,你从任何⼀个⽅向去观察,最多可以看到⼏个⾯? 答案是,最多3⾯. 从⼀个⽴⽅体的任意位置和⽅向上看,你⽤过不可能看到多于3个⾯.那么思考? 我们为何要多余的去绘制那根本看不到的3个⾯? 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%.
分析⽴⽅体中的正背⾯
- 开启表⾯剔除(默认背⾯剔除)
void glEnable(GL_CULL_FACE);
- 关闭表⾯剔除(默认背⾯剔除)
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
- 如,剔除正⾯实现(1)
glCullFace(GL_BACK);
glFrontFace(GL_CW);
- 如,剔除正⾯实现(2)
glCullFace(GL_FRONT);
深度、深度缓冲区
- 深度其实就是该像素点在3D世界中距离摄像机的距离,Z值
- 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.深度值(Z值)越⼤, 则离摄像机就越远.
- 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理,再绘制距离较远的物理,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.
Z-buffer⽅法(深度缓冲区Depth-buffer)
- 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”。
使⽤深度测试
深度缓冲区,⼀般由窗⼝管理系统,GLFW创建.深度值⼀般由16位,24位,32位值表示. 通常是24位.位 数越⾼,深度精确度更好.
//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.
- 深度测试判断模式
//指定深度测试判断模式
void glDepthFunc(GLEnum mode);
深度测试判断模式.png
- 打开/阻断 深度缓存区写⼊
void glDepthMask(GLBool value);
value : GL_TURE 开启深度缓冲区写⼊; GL_FALSE 关闭深度缓冲区写⼊
ZFighting闪烁问题的原因
- 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 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.
- ZFighting闪烁问题问题解决：
- 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.于是就能将重叠的2个图形深度值之 前有所区分.
//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
- 指定偏移量
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:
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 基本可以满⾜需求.
void glPolygonOffset(Glfloat factor,Glfloat units);
应⽤到⽚段上总偏移计算⽅程式： Depth Offset = (DZ * factor) + (r * units);
DZ:深度值（Z值） r:使得深度缓冲区产⽣变化的最⼩值
负值，将使得z值距离我们更近，⽽正值，将使得z值距离我们更远， 上次我们设置factor和units设置为-1，-1
- 关闭Polygon Offset
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
ZFighting闪烁问题预防
- 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。
- 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。
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。
glEnable(GL_BlEND);
组合颜⾊
- 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
*/
设置混合因⼦
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
OpenGL 混合因子.png
图中R、G、B、A 分别代表 红、绿、蓝、alpha。
图中下标S、D，分别代表源、⽬标
图中C 代表常量颜⾊（默认⿊⾊）
实例
下⾯通过⼀个常⻅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)
- 最终颜⾊是以原先的红⾊（⽬标颜⾊）与 后来的蓝⾊（源颜⾊）进⾏组合。源颜⾊的alpha值 越⾼，添加的蓝⾊颜⾊成分越⾼，⽬标颜⾊所保留的成分就会越少。 混合函数经常⽤于实现在其他⼀些不透明的物体前⾯绘制⼀个透明物体的效果。
