九、OpenGL渲染技巧 - 深度测试&多边形偏移&裁剪&混合

1. 深度测试

深度测试的目的是防止被其他面遮挡的面显示出来。开启深度测试后，会对新的片段进行测试，测试通过的片段放进深度缓冲区，不通过的则被丢弃。

1.1 深度

• 表示的是像素在Z轴上距离观察者的距离。
• 取值范围是0~1，默认值是1，通常精度是24位，也可以设置为16位或者32位，位数越大，精度越高，越可以避免 Z-Fighting , 同时消耗资源越多。
• 一般情况下，我们作为观察者，看手机屏幕时，是处于Z轴的负半轴。从这个角度上看，深度值（Z值）越小，离观察者越近。
• 屏幕深度值具有非线性特性（在投影矩阵应用之前是线性的），即深度值 = 0.5 不代表物体 z 值在投影平截头体的中间。

1.2 深度缓冲区

是一块内存区域，存储每一个像素点的深度值，一个像素只有一个深度。

1.3 深度测试

• 深度缓冲区与颜色缓冲区是对应的，一个存储像素的深度值，一个存储像素的颜色值。
• 每当有新的图形图像传入时，先判断它的深度值，如果大于该像素在深度缓存区的深度值则丢弃。反之将新的深度值和颜色值，更新到对应的深度缓冲区及颜色缓冲区。（因为一般情况深度值越小的离观察者越近，这个规则也可以更改）。这个过程，称为深度测试。

// 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);

// 开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// 关闭深度测试
glDisable(GL_DEPTH_TEST);

// 打开/关闭深度缓冲区写入 ，GL_FALSE: 关闭写入 GL_TRUE：打开写入
glDepthMask(GLBool value);

// 指定深度测试判断模式，默认GS_LESS，当前深度值 < 存储深度值时通过
glDepthFunc(GLEnum mode);

深度测试判断模式.png

1.4 甜甜圈开启深度测试

接上篇博客中的甜甜圈案例

  // 开启深度测试
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    
    //5.绘制
    torusBatch.Draw();
    
    // 关闭深度测试
    glDisable(GL_DEPTH_TEST);

开启深度测试后的甜甜圈.gif

现在甜甜圈的展示，已经非常好了！
其实开启了深度测试后，我们甚至不需要使用背面剔除功能。因为深度测试的原理是一个像素内只绘制离观察者最近的图形图像。甜甜圈的背面离观察者远，自然不会绘制。

1.5 深度测试存在 Z-Fighting / Z闪烁 / Z冲突 的问题

• 如果AB两个深度值特别相近，已经超出了深度值的精度位数，就无法比较两个值的大小，会出现可能一会儿显示A的图像，一会儿显示B的图像，造成一种闪烁的现象，这个现象叫做Z-Fighting 或者 Z闪烁。
• 我们通过一个金字塔的案例，来观察Z冲突现象。先画一个金字塔，默认使用多边形填充模式。然后再为三角形画上黑色的边。这是在边的位置上，由于既有黑边也有颜色填充，且两者的深度值一样。变会产生下图中的闪烁现象。一会儿可以从底部看到黑色边线，一会儿看不到。

// 使用多边形填充模式
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);
// 设置平面着色器，颜色为绿色
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vGreen);
// 绘制
pBatch->Draw();

// 使用多边形线框模式
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
//设置线条宽度
glLineWidth(2.5f);
// 设置平面着色器，颜色为黑色
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vBlack);
// 绘图
pBatch->Draw();

// 复原原本的设置
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);

Z冲突效果.gif

1.6 Z-Fighting / Z闪烁 解决方案

• 多边形偏移。如果两个相差的很小，可以人为的设置一个偏移值，使得两个值变大，变大后符合精度位数限制，就可以正确的比较大小了。

// 1. 开启多边形偏移
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
// 2. 关闭多边形偏移
glDisable(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

// 2. 设定偏移量（一般情况下，设置-1, -1）
glPolygonOffset(Glfloat factor,Glfloat units)

上面金字塔案例中，增加如下修改：

// 设置偏移值
glPolygonOffset(-1.0f, -1.0f);
// 开启多边形偏移
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_LINE);

...

// 绘制后，关闭多边形偏移
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_LINE);

增加偏移值后的效果如下：

开启多边形偏移的金字塔.gif

1.7 Z-Fighting / Z闪烁 预防方案

• 不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三角形叠在⼀一起。因为手动去插⼊这个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32位的缓冲区，使精确度得到提⾼。

2. 裁剪测试

• 裁剪测试是OpenGL提高渲染性能的一种方式。只刷新屏幕上变化的部分。
• 原理是设置一个裁剪区域，只渲染裁剪区域内的图形图像。也就是只有在范围内的片元，才会到达帧缓冲区，超出范围的将被丢弃。

//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，  x,y:指定裁剪框左下角位置; width , height:指定裁剪尺⼨
void glScissor(Glint x,Glint y,GLSize width,GLSize height);

3 混合

• 在像素缓冲区中，每一个像素有一个对应的颜色值。
• 如果未开启深度测试，新的颜色值将会改变颜色缓冲区的颜色值；如果开启了，新的颜色值离观察者更近的才会改变。
• 当新的颜色透明度为 1 时，新的颜色值需要改变颜色缓冲区的颜色值时，会直接覆盖。 小于 1 时，两种颜色需要混合显示。

// 启用颜色混合
glEnable(GL_BlEND);
// 关闭颜色混合
glDisable(GL_BlEND);

3.1 混合方程式

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:源混合因⼦子
D:⽬标混合因⼦

// 选择混合方程式
void glbBlendEquation(GLenum mode);

// 设置混合因⼦, S:源混合因子 D:⽬标混合因⼦
void glBlendFunc(GLenum S,GLenum D); 
// 常见的混合因子
void glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

// 设置混合因⼦及Alpha因⼦
// strRGB: 源颜⾊的混合因子 
// dstRGB: ⽬标颜色的混合因子 
// strAlpha: 源颜⾊的Alpha因子 
// dstAlpha: ⽬标颜色的Alpha因⼦
void glBlendFuncSeparate(GLenum strRGB,GLenum dstRGB ,GLenum strAlpha,GLenum dstAlpha);

// 设置常量混合颜色，默认黑色
void glBlendColor(GLclampf red ,GLclampf green ,GLclampf blue ,GLclampf alpha );

可选择的混合方程式.png 混合因子.png

• 表中R、G、B、A 分别代表 红、绿、蓝、alpha。
• 表中下标S、D，分别代表S:源混合因子 D:⽬标混合因⼦
• 表中C 代表常量颜色(默认⿊色)