五、OpenGL 渲染技巧：正背面剔除
在介绍正背面剔除前，首先通过一个案例说明为什么我们需要正背面剔除
我们需要绘制一个甜甜圈，整体的绘制流程如下（甜甜圈是OpenGL中提供的模型，直接使用即可）
绘制流程
针对上图的部分函数，作以下说明
SetupRC函数
在金字塔的案例中使用的是观察者不动，物体动的方式，设置观察者到物体的距离，在甜甜圈案例中使用新的方式设置观察者到物体的距离，即观察者动，物体不动，并创建一个甜甜圈
RenderScene函数
主要是用于绘制甜甜圈，其流程如下所示
RenderScene函数流程
最终，得到的甜甜圈如图所示
甜甜圈效果
目前看起来甜甜圈非常正常，当我们进行旋转时，出现以下现象
甜甜圈_正反面异常显示问题
嗯....根据我们的常识来说，一个物体在光照下是有两面的：阳面（光照覆盖的面）和阴面（背光的面），上图中黄色部分就是我们理解的阳面，黑色即为阴面，但是上图的甜甜圈
看起来特别奇怪，本该显示阳面的部分确显示了阴面。
简单概括下出现的问题：甜甜圈在旋转过程中，OpenGL不知道该显示哪些界面，导致本来是观察者不应该看到且该丢弃部分，不仅看到了，而且没有将隐藏部分丢弃。
画家算法
针对这个问题，第一个方案是画家算法，由远及近的绘制不同图层，近的图层就可以将远的图层的隐藏面覆盖掉，被覆盖部分会绘制多次，就像下图这样
画家算法图示
但是画家算法也仅仅只能解决有远近次序的图形，针对无法区分出谁远谁近（例如三个三角形叠加）的情况，油画算法就无法满足需求了
正背面剔除（Face Culling）
因此，需要采用正背面剔除方案，这是OpenGL中针对图形绘制的一种技巧，主要用于处理立体图形绘制时，只绘制观察者能看到的部分，看不到的部分就丢弃不绘制，这种做法可以将渲染性能提高50%左右。
我们是如何知道哪个面显示，哪些不显示呢？
- 其实在OpenGL中默认规定了逆时针方向绘制的三角形是正面，当然你可以改为顺时针为正面，但是一般不建议这么操作，主要是由于这个设置不仅仅是作用于你的项目，而是作用于OpenGL全局的。我们习惯OpenGL中默认的即可。
//用于修改正面的函数
void glFrontFace(GLenum mode);
//model有两种：GL_CW（顺时针）,GL_CCW（逆时针）,
//OpenGL中的默认值:GL_CCW
- OpenGL内部会通过分析顶点数据的顺序来确认正反面，这个并不需要开发者关注，只需将正背面剔除，开启/关闭即可
正背面剔除技巧主要涉及三个方法
- 开启正背面剔除
//开启表面剔除 （默认背面剔除）
void glEnable(GL_CULL_FACE);
- 关闭正背面剔除
//关闭表面剔除（默认背面剔除）
void glDisable(GL_CULL_FACE);
- 设置需要剔除的面
void glCullFace(GLenum mode);
mode主要有3类
| 枚举值 | 说明 |
|---|---|
| GL_FRONT | 剔除正面 |
| GL_BACK | 剔除背面，是默认值 |
| GL_FRONT_AND_BACK | 剔除正背面 |
甜甜圈 作 正背面剔除
主要是在原代码的基础上作以下修改
- main中注册有机菜单栏回调函数
glutCreateMenu(ProcessMenu);
glutAddMenuEntry("Toggle depth test",1);
glutAddMenuEntry("Toggle cull backface",2);
glutAddMenuEntry("Set Fill Mode", 3);
glutAddMenuEntry("Set Line Mode", 4);
glutAddMenuEntry("Set Point Mode", 5);
glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);
- 新增
ProcessMenu函数
通过mainloop监听右键菜单触发的消息，收到点击触发消息后，回调该函数对相应菜单进行的点击操作，主要逻辑如图所示
ProcessMenu函数流程
-
在RenderScene函数中新增正背面剔除的开启/关闭操作
RenderScene添加了正反面剔除的总流程
//开启/关闭正背面剔除功能
if (iCull) {
glEnable(GL_CULL_FACE);
//以下两行是默认的，可以不写
glFrontFace(GL_CCW);
glCullFace(GL_BACK);
}else
{
glDisable(GL_CULL_FACE);
}
到此，甜甜圈的正背面绘制异常问题就解决了
效果图
但是在旋转过程中，新的问题又出现了，甜甜圈出现了一块缺口。。。
甜甜圈_缺口问题
针对这个问题，将在下一篇文章中进行详细说明。
完整demo链接 04_甜甜圈
后续补充：
隐藏面消除方案 总结
-
正背面消除
需要根据顶点数据顺序判断用户可见部分与隐藏面，隐藏面直接丢弃，不绘制，只绘制可见部分 -
深度测试
可以一次性解决隐藏面消除问题，原理是不管有多少图层，只显示可见图层，剩余不可见的都丢弃
问题 总结
问题一：使用平面着色器绘制甜甜圈，会出现隐藏面消除吗？
- 会出现，由于都是红色，因此没有办法区别谁是正面，谁是背面，所以导致肉眼无法察觉
问题二：为什么使用默认光源着色器会出现隐藏面消除？
- 是因为在默光源着色器中，在光源无法照射的部分会呈现黑色，被照射部分呈现红色，可以非常直观的通过肉眼看出谁是正面，谁是反面
