模板测试（Stencil Testing）

• 一旦片元着色器处理完片元就会执行模板测试（stencil test），像深度测试一样，它可以根据条件丢弃片元。模板测试基于另外一个缓冲区，称为模板缓冲区（stencil buffer）。OpenGL允许我们在渲染的过程中更新模板缓冲区的值已达到不同的渲染效果。

• 模板缓冲区的模板值一般为8位，这样就允许每个像素可以有256中不同的模板值。

• 注意：每个窗体系统都需要设置一个模板缓冲区，因为GLFW自动为我们设置，因此我们无需创建。但对于其他窗体系统，需要确保创建一个默认的模板缓冲区。

• 一个简单示意图展示模板缓冲区的效果。（图片取自书中）
  

  模板缓冲区简单示意图

• 使用模板缓冲区的一般过程：

  • 启用模板缓冲区写入。
  • 渲染物体对象，更新模板缓冲区内容。
  • 禁用模板缓冲区写入。
  • 渲染其他物体对象，这时会使用模板缓冲区内容丢弃特定片元。

• 启用模板测试

glEnable(GL_STENCIL_TEST);

• 每次渲染迭代中像颜色和深度缓冲区一样清除模板缓冲区。

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);

• 与深度测试的glDepthMask函数类似，我们可以使用glStencilMask函数给模板缓冲区设置掩码。掩码与将要写入模板缓冲区的测试值进行AND操作。

glStencilMask(0xFF);   // 不影响模板缓冲区值
glStencilMask(ox00);   // 模板缓冲区的值都为0

1. 模板测试函数

• 有两个函数我们可以用来配置模板测试：glStencilFunc和glStencilOp。
• glStencilFunc原型如下：

glStencilFunc(GLenum func, GLint ref, GLuint mask);
// 示例：模板值等于1则通过，否则丢弃
glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 0xFF);

`func`：设置模板测试函数，用于决定片元是通过还是丢弃。这个测试函数用于比较存储的模板值和第二个参数'ref'值。可能的函数有GL_NEVER, GL_LESS, GL_LEQUAL, GL_GREATER, GL_GEQUAL, GL_EQUAL, GL_NOTEQUAL和GL_ALWAYS，函数意义与深度测试相似。
`ref`：指定模板测试的值。
`mask`：指定一个在模板测试之前与测试和存储的模板值都进行AND操作的掩码，初始都设置为1。

• glStencilFunc函数只是描述了如何根据模板缓冲区内容通过或丢弃片元，而glStencilOp函数则描述了如何更新缓冲区的内容，原型如下：

glStencilOp(GLenum sfail, GLenum dpfail, GLenum dppass);
// 默认
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP);

`sfail`：如果模板测试失败执行的操作。
`dpfail`：如果模板测试通过，深度测试失败执行的操作。
`dppass`：如果模板测试和深度测试都通过执行的操作。

• 上述三个参数可取值如下表所示：

操作	描述
GL_KEEP	保持当前存储的模板值
GL_ZERO	模板值设置为0
GL_REPLACE	使用glStencilFunc中指定的测试值代替模板值
GL_INCR	如果模板值小于最大值则加1
GL_INCR_WRAP	与GL_INCR一样，只是一旦超出最大值时设置为0
GL_DECR	如果模板值大于最小值则减1
GL_DECR_WRAP	与GL_DECR一样，只是一旦小于0时设置为最大值
GL_INVERT	模板缓冲区的值按位取反

2. 物体边框绘制（Object outlining）

从上面的内容我们很难完全理解模板测试的知识，下面我们通过实现物体边框绘制这一特性来展示模板测试的应用。

• 物体边框线绘制的一般过程如下：
  • 1. 启用模板值写入。
  • 2. 在绘制物体前设置模板操作为GL_ALWAYS，在物体片元渲染后将模板缓冲区总是设置为1。
  • 3. 渲染物体。
  • 4. 禁用模板写入和深度测试。
  • 5. 将每个物体进行微量放大。
  • 6. 使用另外一个片元着色器输出一个单一（边框）颜色。
  • 7. 将片元的模板值不等于1的那部分物体再次绘制。
  • 8. 再次启用深度测试，并将模板测试函数恢复到GL_KEEP。

我们要给深度测试中的两个立方体绘制边框，我们可以先绘制平面，然后绘制两个立方体，然后再绘制两个立方体的放大版本，这时应用模板测试只保留立方体的边框。

• 首先，我们创建一个简单的片元着色器，用于输出边框颜色。

void main()
{
    FragColor = vec4(0.04, 0.28, 0.26, 1.0);
}

• 其次，我们在代码中启用模板测试，并设置深度和模板测试都通过时，更新模板缓冲区值。

glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);

• 绘制平面，我们将模板缓冲区值都设置为0。

// 通过掩码将模板缓冲区值设为0
glStencilMask(0x00);
shader.use();
// 设置相应矩阵
...
glBindVertexArray(planeVAO);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, floorTexture);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 6);

• 绘制两个立方体，我们让模板测试总是通过，并将模板测试值指定为1。通过前面的更新函数，我们知道绘制立方体后模板缓冲区内容会更新为指定的测试值，即1。

glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0xFF);
glStencilMask(0xFF);
glBindVertexArray(cubeVAO);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, cubeTexture);
// 设置相应矩阵
...
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
// 设置相应矩阵
...
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

• 绘制放大版本立方体。这里，我们只绘制模板缓冲区值不为1的部分。从前面的绘制可知，绘制平面时我们最终写入模板缓冲区值都为0，绘制两个立方体时，立方体部分写入模板缓冲区值为1。因此，这里我们只绘制出放大部分，即边框。

glStencilFunc(GL_NOTEQUAL, 1, 0xFF);
// 测试后，通过部分值都以0写入
glStencilMask(0x00);
// 禁用深度测试，防止平面遮挡边框
glDisable(GL_DEPTH_TEST);
outlineShader.use();
glBindVertexArray(cubeVAO);
float scale = 1.1;
outlineShader.setMat4("view", view);
outlineShader.setMat4("projection", projection);
model = glm::mat4(1.0f);
model = glm::translate(model, glm::vec3(-1.0f, 0.0f, -1.0f));
model = glm::scale(model, glm::vec3(scale));
outlineShader.setMat4("model", model);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
model = glm::mat4(1.0f);
model = glm::translate(model, glm::vec3(2.0f, 0.0f, 0.0f));
model = glm::scale(model, glm::vec3(scale));
outlineShader.setMat4("model", model);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

• 最后，还原相关设置。

glStencilMask(0xFF);
glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0xFF);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);

• 渲染效果。

  
  边框绘制效果