OpenGL渲染技巧--深度缓冲区,颜色混合,隐藏面消除以及渲染

阅读了该系列之前几篇文章,相信大家已经对OpenGL渲染流程和基本概念有了一个大致的了解, 这里提醒大家,很多名词和函数, 可以点进去看下源码是怎么写的,另外基本概念切勿死记硬背, 靠敲代码硬背函数或者API是不可取的, 要于现实生活的实际场景和例子结合,才更方便我们记住和系统的了解其原理.
废话不多说,进入正题.

OpenGL渲染技巧(实际绘制中常用方法)

• 正⾯&背⾯剔除
• 深度测试
• 颜色混合
• 多边形偏移
• 等

在讲以上几个常用方法时我们先来了解下什么是 隐藏面消除

在绘制3D场景的时候，由于观察者和绘制结果都只能看到其中的一个面。对于不会被观察到的面,则我们无需渲染, 那么这样我们的渲染效率就会提升50%.
例如：在一个不透明墙壁后的物体，就不应该渲染。这种情况就叫做隐藏面消除(Hidden surface elimination)。

而如何实现隐藏面消除呢?
实际使用中常用有正⾯&背⾯剔除, 深度测试等方法

1.油画算法

油画算法如其名所说,按照画油画的方式,先把底色绘上,再把上面颜色盖上,其主要原理如下:
先绘制场景中离观察者较远的物体,再绘制较近的物体.

油画算法示意

那么实际开发中有使用油画算法的吗? 答案是几乎没有. 那么为什么呢

• 首先是性能问题, 对于观察者/绘制结果来说我们只会看到绘制在最上面的一层(透明度情况除外,下面我们会讲到关于透明度如何处理). 那么如果同一个像素点有五层, 如果按照油画算法我们需要绘制5次, 显然我们在性能上就耗费了5倍与此.

• 另外是顺序问题,参考下图

  
  
  

  以上这种情况, 油画算法无法得知绘制顺序, 因此,在实际开发场景中,几乎没有油画算法实现隐藏面消除的身影.

2.正背面剔除(CULL_FACE)

正/背面剔除原理：
1- 我们不去绘制那些根本看不到的面，以某种方式去丢弃这部分数据。
2- 我们可以给平面定义正面和背面，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。 OpenGL渲染的性能即可提⾼超过50%。
默认情况逆时针顶点连接顺序为图形正面,也就是我们所能看到的面.
当然我们也可以指定具体哪个面为正面,但是一般都会使用默认.

顶点顺序解析
立方体的正背面(默认情况)

注意:
正⾯和背面是由三角形的顶点顺序和观察者方向共同决定的,随着观察者的角度方向的改变,正面背面也会跟着改变。

3.深度测试(DEPTH_TEST)

每个像素点只有一个深度值，在同一个像素点出现新的深度值时，会与之前进行比较，如果新的深度值大，那么离我们更远，应该是是被遮挡。如果新的深度值小，那么离我们更近，我们应该先看到他，这个时候深度缓冲区储存小的深度值，并且颜色缓冲区也将进行对应的更新。比较深度值的这整个过程，就叫深度测试。

• 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.

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。

// 1.开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// 2.关闭深度测试
glDisable(GL_DEPTH_TEST);
// 3.指定深度测试判断模式
glDepthFunc(GL_LESS); //GL_LESS 默认值
// 4.打开、阻断深度缓冲区写入，默认打开
glDepthMask(GL_TRUE); // 开启深度缓冲区写入
glDepthMask(GL_FALSE); // 开启深度缓冲区写入

指定深度测试判断模式

拓展：开启深度测试后，就一定不会出现问题了吗？
其实不然，如下图所示，三个图形在深度值相等的情况下，深度测试无法判断深度值，会导致无法预测的问题。会造成下面2个画面交替出现的问题，这个问题叫 ZFighting 闪烁问题

ZFighting随即闪烁

那么如何解决ZFighting闪烁问题呢?

启用Polygon Offset(多边形偏移)，在执行深度测试之前，细微的增加深度值，使得两个重叠的图形之间有细微的差异
//开启多边形偏移 glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL);
//关闭多边形偏移 glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

指定偏移量，负值，将使得z值距离我们更更近，⽽而正值，将使得z值距离我们更更远。

提示: 如何避免ZFighting闪烁问题?

• 不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三⻆形叠在⼀一起。这种⽅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。例例如上面的⽴方体和平⾯面问题中，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.

4.颜色混合(前面提到的半透明时解决方法)

我们把OpenGL 渲染时会把颜⾊色值存在颜⾊色缓存区中，每个⽚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。

• 使用颜色混合:
  glEnable(GL_BlEND);
glDisable(GL_BlEND)

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

• 设置混合因⼦子，需要⽤用到glBlendFun函数
  glBlendFunc(GLenum S,GLenum D);
  S:源混合因⼦
  D:目标混合因⼦

  
  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)
  调用方法:

glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

颜色混合总结:

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不透明的物体前面绘制一个透明物体的效果。