OpenGL学习：Per-fragment operation(2)-深度测试(depth test)

通过本节可以了解到

• 为什么需要深度缓冲区？
• OpenGL中怎么使用深度缓冲区 ？
• 可视化深度值
• 深度值的精度问题-ZFighting

问题背景

在绘制3D场景的时候，我们需要决定哪些部分对观察者是可见的，或者说哪些部分对观察者不可见，对于不可见的部分，我们应该及早的丢弃，例如在一个不透明的墙壁后的物体就不应该渲染。这种问题称之为隐藏面消除（Hidden surface elimination）,或者称之为找出可见面(Visible surface detemination)。

解决这一问题比较简单的做法是画家算法(painter’s algorithm)。画家算法的基本思路是，先绘制场景中离观察者较远的物体，再绘制较近的物体。例如绘制下面图中的物体(来自Z buffer 和 W buffer 簡介)，先绘制红色部分，再绘制黄色，最后绘制灰色部分，即可解决隐藏面消除问题。

使用画家算法时，只要将场景中物体按照离观察者的距离远近排序，由远及近的绘制即可。画家算法很简单，但另一方面也存在缺陷，例如上图中，三个三角形互相重叠的情况，画家算法将无法处理

解决隐藏面消除问题的算法有很多，具体可以参考Visible Surface Detection。结合OpenGL，我们使用的是Z-buffer方法，也叫深度缓冲区Depth-buffer。

深度缓冲区(Detph buffer)同颜色缓冲区(color buffer)是对应的，颜色缓冲区存储的像素的颜色信息，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的表面时，首先将表面对应像素的深度值与当前深度缓冲区中的值进行比较，如果大于等于深度缓冲区中值，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冲区。这一过程称之为深度测试(Depth Testing)。在OpenGL中执行深度测试时，我们可以根据需要指定深度值的比较函数，后面会详细介绍具体使用。

OpenGL中使用深度测试

深度缓冲区一般由窗口管理系统，例如GLFW来创建，深度值一般由16位，24位或者32位值表示，通常是24位。位数越高的话，深度的精确度越好。前面我们已经见过了如何在OpenGL中使用深度测试，这里复习下过程。首先我们需要开启深度测试，默认是关闭的：

   glEnable(GL_DEPTH_TEST);
 
   
   
   
   

    
    
    
    
1
   
   
   
   

另外还需要在绘制场景前，清除颜色缓冲区时，清除深度缓冲区：

   glClearColor(0.18f, 0.04f, 0.14f, 1.0f);
   glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
 
   
   
   
   

    
    
    
    
1
    
    
    
    
2
   
   
   
   

清除深度缓冲区的默认值是1.0，表示最大的深度值，深度值的范围在[0,1]之间，值越小表示越靠近观察者，值越大表示远离观察者。 
上面提到了在进行深度测试时，当前深度值和深度缓冲区中的深度值，进行比较的函数，可以由用户通过glDepthFunc指定，这个函数包括一个参数，具体的参数如下表所示：

函数参数	说明
GL_ALWAYS	总是通过测试
GL_NEVER	总是不通过测试
GL_LESS	在当前深度值 < 存储的深度值时通过
GL_EQUAL	在当前深度值 = 存储的深度值时通过
GL_LEQUAL	在当前深度值 <= 存储的深度值时通过
GL_GREATER	在当前深度值 > 存储的深度值时通过
GL_NOTEQUAL	在当前深度值 不等于 存储的深度值时通过
GL_GEQUAL	在当前深度值 >= 存储的深度值时通过

例如我们可以使用GL_AWALYS参数，这与默认不开启深度测试效果是一样的：

  glDepthFunc(GL_ALWAYS);
 
   
   
   
   

    
    
    
    
1
   
   
   
   

下面我们绘制两个立方体和一个平面，通过对比开启和关闭深度测试来理解深度测试。 
当关闭深度测试时，我们得到的效果却是这样的：              
  
这里先绘制立方体，然后绘制平面，如果关闭深度测试，OpenGL只根据绘制的先后顺序决定显示结果。那么后绘制的平面遮挡了一部分先绘制的本应该显示出来的立方体，这种效果是不符合实际的。
我们开启深度测试后绘制场景，得到正常的效果如上图右。

使用深度测试，最常见的错误时没有使用glEnable(GL_DEPTH_TEST); 
开启深度测试，或者没有使用glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);清除深度缓冲区。

与深度缓冲区相关的另一个函数是glDepthMask,它的参数是布尔类型，GL_FALSE将关闭缓冲区写入，默认是GL_TRUE，开启了深度缓冲区写入。

可视化深度值

在可视化深度值之前，首先我们要明白，这里的深度值，实际上是屏幕坐标系下的 zwin 坐标，屏幕坐标系下的(x,y)坐标分别表示屏幕坐标系下以左下角(0,0)为起始点的坐标。 zwin 我们如何获取呢？ 可以通过着色器的输入变量gl_FragCoord.z来获取，这个gl_FragCoord的z坐标表示的就是深度值。

我们在着色器中以这个深度值为颜色输出：

  // 原样输出
float asDepth()
{
  return gl_FragCoord.z;
}
void main()
{
    float depth = asDepth();
    color = vec4(vec3(depth), 1.0f);
}
 
   
   
   
   

    
    
    
    
1
    
    
    
    
2
    
    
    
    
3
    
    
    
    
4
    
    
    
    
5
    
    
    
    
6
    
    
    
    
7
    
    
    
    
8
    
    
    
    
9
    
    
    
    
10
   
   
   
   

输出后的效果如下图所示： 
    

可以看到图中，只有离观察者较近的部分有些黑色，其余的都是白色。这是因为深度值 zwin 和 zeye 是成非线性关系的，在离观察者近的地方，精确度较高， zwin 值都保持在较小范围，成黑色。但是一旦超出一定距离，精确度变小， zwin 值都挤在1.0附近，因此成白色。当我们向后移动，拉远场景与观察者的距离后， zwin 值都落在1.0附近，整个场景都变成白色，如上图右所示： 

实际使用时不使用 zwin 和 zeye 的线性关系，因为在场景中，近处的物体，我们想让它看的清楚，自然 要求精度高；但是远处的物体，我们不需要很清晰的看到细节，因此精确度不必和近处的物体一样。使用公式(7)绘制的 zwin 和 zeye 关系图如下所示(来自：www.learnopengl.com Depth testing)：

我们看到， zeye 在[1.0,2.0]范围内时 zwin 保持在0.5的范围内，精确度高。而当 zeye 超过10.0后， zwin 的值就在0.9以后了，也就是说 zwin 在[10.0,50.0]范围内的深度值将挤在[0.9,1.0]这么一个小的范围内，精确度很低。

当 zeye 在[-395,-1000]范围内时，深度值将全部挤在65534或者65535这两个值上，也就是说几乎60%的 zeye 只能分配1到2个深度值，可见当 zeye 超过一定范围后，精度值是相当低的。(这个例子原本解释来自depth buffer faq)。

当深度值精确度很低时，容易引起ZFighting现象，表现为两个物体靠的很近时确定谁在前，谁在后时出现了歧义。例如上面绘制的平面和立方体，在y=-0.5的位置二者贴的很近，如果进入立方体内部观察，则出现了ZFighting现象，立方体的底面纹理和平面的纹理出现了交错现象，如下图所示：

（如果你要亲自观察这个现象，只需要在本节代码中，将相机位置放在立方体内部，稍微调整鼠标观察角度就可以了，并且GL_CULL_FACE不能enable）。

预防ZFighting的方法

1.不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三角形叠在一起。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。 
2.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。 
3.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。

当然还有其他方法，这里不再展开了。

最后的说明

本节了解了深度测试的问题背景，OpenGL中的使用方法。通过可视化深度值和给出深度的计算过程，让我们了解深度的精确度问题。还有一些问题没有在本节探讨，包括gl_FragCoord,gl_FragDepth的含义和计算方法，等待后面再继续学习。另外关于fragment,pixel的区别还需要做进一步了解，本文关于这部分的表述还有待改善