LearnOpenGL笔记——四、高级OpenGL:“深度测试”、“模板测试”和“混合”

四、高级OpenGL:“深度测试”、“模板测试”和“混合”

4.1 深度测试

  • 深度缓冲就像颜色缓冲(Color Buffer)(储存所有的片段颜色:视觉输出)一样,在每个片段中储存了信息,并且(通常)和颜色缓冲有着一样的宽度和高度。

  • 深度缓冲是由窗口系统自动创建的,它会以16、24或32位float的形式储存它的深度值。在大部分的系统中,深度缓冲的精度都是24位的。

  • 深度缓冲是在片段着色器运行之后(以及模板测试(Stencil Testing)运行之后,我们将在下一节中讨论)在屏幕空间中运行的。

  • gl_FragCoord的x和y分量代表了片段的屏幕空间坐标(其中(0, 0)位于左下角)。

  • gl_FragCoord中也包含了一个z分量,它包含了片段真正的深度值。z值就是需要与深度缓冲内容所对比的那个值。

  • 深度测试默认是禁用的,所以如果要启用深度测试的话,我们需要用GL_DEPTH_TEST选项来启用它:

    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    
  • 当它启用的时候,如果一个片段通过了深度测试的话,OpenGL会在深度缓冲中储存该片段的z值;如果没有通过深度缓冲,则会丢弃该片段。如果你启用了深度缓冲,你还应该在每个渲染迭代之前使用GL_DEPTH_BUFFER_BIT来清除深度缓冲,否则你会仍在使用上一次渲染迭代中的写入的深度值:

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    
  • 可以想象,在某些情况下你会需要对所有片段都执行深度测试并丢弃相应的片段,但不希望更新深度缓冲。基本上来说,你在使用一个只读的(Read-only)深度缓冲。OpenGL允许我们禁用深度缓冲的写入,只需要设置它的深度掩码(Depth Mask)设置为GL_FALSE就可以了:

    glDepthMask(GL_FALSE);
    
  • 注意这只在深度测试被启用的时候才有效果。

  • 深度测试函数
    LearnOpenGL笔记——四、高级OpenGL:“深度测试”、“模板测试”和“混合”_第1张图片

  • 在源代码中,我们将深度函数改为GL_ALWAYS:

    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    glDepthFunc(GL_ALWAYS);
    
  • 这将会模拟我们没有启用深度测试时所得到的结果。深度测试将会永远通过,所以最后绘制的片段将会总是会渲染在之前绘制片段的上面,即使之前绘制的片段本就应该渲染在最前面。

  • 深度值精度

    • 线性深度缓冲
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    • 然而,在实践中是几乎永远不会使用这样的线性深度缓冲(Linear Depth Buffer)的。要想有正确的投影性质,需要使用一个非线性的深度方程,它是与 1/z 成正比的。它做的就是在z值很小的时候提供非常高的精度,而在z值很远的时候提供更少的精度。
    • 非线性深度缓冲
      LearnOpenGL笔记——四、高级OpenGL:“深度测试”、“模板测试”和“混合”_第3张图片
    • 至于投影矩阵做了什么,可以看看Games101
  • 深度缓冲的可视化:略

  • 深度冲突

    • 一个很常见的视觉错误会在两个平面或者三角形非常紧密地平行排列在一起时会发生,深度缓冲没有足够的精度来决定两个形状哪个在前面。结果就是这两个形状不断地在切换前后顺序,这会导致很奇怪的花纹。这个现象叫做深度冲突(Z-fighting),因为它看起来像是这两个形状在争夺(Fight)谁该处于顶端。
    • 防止深度冲突(3)
      • 第一个也是最重要的技巧是永远不要把多个物体摆得太靠近,以至于它们的一些三角形会重叠。
      • 第二个技巧是尽可能将近平面设置远一些
      • 另外一个很好的技巧是牺牲一些性能,使用更高精度的深度缓冲。

4.2 模板测试

  • 片段着色器处理完一个片段之后,模板测试(Stencil Test)会开始执行,和深度测试一样,它也可能会丢弃片段。**接下来,被保留的片段会进入深度测试,**它可能会丢弃更多的片段。

  • 模板测试是根据又一个缓冲来进行的,它叫做模板缓冲(Stencil Buffer),我们可以在渲染的时候更新它来获得一些很有意思的效果。

  • 一个模板缓冲中,(通常)每个模板值(Stencil Value)是8位的。所以每个像素/片段一共能有256种不同的模板值。我们可以将这些模板值设置为我们想要的值,然后当某一个片段有某一个模板值的时候,我们就可以选择丢弃或是保留这个片段了。

  • 模板缓冲操作允许我们在渲染片段时将模板缓冲设定为一个特定的值。通过在渲染时修改模板缓冲的内容,我们写入了模板缓冲。在同一个(或者接下来的)渲染迭代中,我们可以读取这些值,来决定丢弃还是保留某个片段。使用模板缓冲的时候你可以尽情发挥,但大体的步骤如下:

    • 启用模板缓冲的写入。
    • 渲染物体,更新模板缓冲的内容。
    • 禁用模板缓冲的写入。
    • 渲染(其它)物体,这次根据模板缓冲的内容丢弃特定的片段。
  • 所以,通过使用模板缓冲,我们可以根据场景中已绘制的其它物体的片段,来决定是否丢弃特定的片段。

  • 你可以启用GL_STENCIL_TEST来启用模板测试。在这一行代码之后,所有的渲染调用都会以某种方式影响着模板缓冲。

    glEnable(GL_STENCIL_TEST);
    
  • 注意,和颜色和深度缓冲一样,你也需要在每次迭代之前清除模板缓冲。

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
    
  • 和深度测试的glDepthMask函数一样,模板缓冲也有一个类似的函数。glStencilMask允许我们设置一个位掩码(Bitmask),它会与将要写入缓冲的模板值进行与(AND)运算。默认情况下设置的位掩码所有位都为1,不影响输出,但如果我们将它设置为0x00,写入缓冲的所有模板值最后都会变成0.这与深度测试中的glDepthMask(GL_FALSE)是等价的。

    glStencilMask(0xFF); // 每一位写入模板缓冲时都保持原样
    glStencilMask(0x00); // 每一位在写入模板缓冲时都会变成0(禁用写入)
    
  • 大部分情况下你都只会使用0x00或者0xFF作为模板掩码(Stencil Mask),但是知道有选项可以设置自定义的位掩码总是好的。

  • 模板函数

    • 和深度测试一样,我们对模板缓冲应该通过还是失败,以及它应该如何影响模板缓冲,也是有一定控制的。一共有两个函数能够用来配置模板测试:glStencilFuncglStencilOp
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  • 物体轮廓

  • 物体轮廓所能做的事情正如它名字所描述的那样。我们将会为每个(或者一个)物体在它的周围创建一个很小的有色边框。。为物体创建轮廓的步骤如下:

    • 在绘制(需要添加轮廓的)物体之前,将模板函数设置为GL_ALWAYS,每当物体的片段被渲染时,将模板缓冲更新为1。
    • 渲染物体。
    • 禁用模板写入以及深度测试。
    • 将每个物体缩放一点点。
    • 使用一个不同的片段着色器,输出一个单独的(边框)颜色。
    • 再次绘制物体,但只在它们片段的模板值不等于1时才绘制。
    • 再次启用模板写入和深度测试。
  • 场景中物体轮廓的完整步骤会看起来像这样:

    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);  
    
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT); 
    
    glStencilMask(0x00); // 记得保证我们在绘制地板的时候不会更新模板缓冲
    normalShader.use();
    DrawFloor()  
    
    glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0xFF); 
    glStencilMask(0xFF); 
    DrawTwoContainers();
    
    glStencilFunc(GL_NOTEQUAL, 1, 0xFF);
    glStencilMask(0x00); 
    glDisable(GL_DEPTH_TEST);
    shaderSingleColor.use(); 
    DrawTwoScaledUpContainers();
    glStencilMask(0xFF);
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);  
    
  • 除了物体轮廓之外,模板测试还有很多用途,比如在一个后视镜中绘制纹理,让它能够绘制到镜子形状中,或者使用一个叫做阴影体积(Shadow Volume)的模板缓冲技术渲染实时阴影。模板缓冲为我们已经很丰富的OpenGL工具箱又提供了一个很好的工具。

4.3 混合

  • OpenGL中,混合(Blending)通常是实现物体透明度(Transparency)的一种技术。透明就是说一个物体(或者其中的一部分)不是纯色(Solid Color)的,它的颜色是物体本身的颜色和它背后其它物体的颜色的不同强度结合。

  • 这也是混合这一名字的出处,我们混合(Blend)(不同物体的)多种颜色为一种颜色。所以透明度能让我们看穿物体。

  • Alpha颜色值是颜色向量的第四个分量。之前我们都将这个第四个分量设置为1.0,让这个物体的透明度为0.0,而当alpha值为0.0时物体将会是完全透明的。当alpha值为0.5时,物体的颜色有50%是来自物体自身的颜色,50%来自背后物体的颜色。

  • 丢弃片段

    • 一个草的纹理,要么是完全不透明的(alpha值为1.0),要么是完全透明的(alpha值为0.0),没有中间情况。你可以看到,只要不是草的部分,这个图片显示的都是网站的背景颜色而不是它本身的颜色。
      #version 330 core
      out vec4 FragColor;
      
      in vec2 TexCoords;
      
      uniform sampler2D texture1;
      
      void main()
      {             
          vec4 texColor = texture(texture1, TexCoords);
          if(texColor.a < 0.1)
              discard;
          FragColor = texColor;
      }
      
    • 这里,我们检测被采样的纹理颜色的alpha值是否低于0.1的阈值,如果是的话,则丢弃这个片段。片段着色器保证了它只会渲染不是(几乎)完全透明的片段。否则就不正常
  • 混合

    • 要想渲染有多个透明度级别的图像,我们需要启用混合(Blending)。和OpenGL大多数的功能一样,我们可以启用GL_BLEND来启用混合:
      glEnable(GL_BLEND);
      

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  • 渲染半透明纹理

    • 但是这次不再是渲染草的纹理了,我们现在将使用本节开始时的那个透明的窗户纹理。
    • 首先,在初始化时我们启用混合,并设定相应的混合函数:
      glEnable(GL_BLEND);
      glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
      
    • 由于启用了混合,我们就不需要丢弃片段了,所以我们把片段着色器还原:
      #version 330 core
      out vec4 FragColor;
      
      in vec2 TexCoords;
      
      uniform sampler2D texture1;
      
      void main()
      {             
          FragColor = texture(texture1, TexCoords);
      }
      

    LearnOpenGL笔记——四、高级OpenGL:“深度测试”、“模板测试”和“混合”_第8张图片

    • 有问题!
    • 我们不能随意地决定如何渲染窗户,让深度缓冲解决所有的问题了。这也是混合变得有些麻烦的部分。
    • 要想保证窗户中能够显示它们背后的窗户,我们需要首先绘制背后的这部分窗户。
    • 这也就是说在绘制的时候,我们必须先手动将窗户按照最远到最近来排序,再按照顺序渲染。
  • 不要打乱顺序

    • 当绘制一个有不透明和透明物体的场景的时候,大体的原则如下:

      • 1.先绘制所有不透明的物体。
      • 2.对所有透明的物体排序。
      • 3.按顺序绘制所有透明的物体。
        LearnOpenGL笔记——四、高级OpenGL:“深度测试”、“模板测试”和“混合”_第9张图片
    • 虽然按照距离排序物体这种方法对我们这个场景能够正常工作,但它并没有考虑旋转、缩放或者其它的变换,奇怪形状的物体需要一个不同的计量,而不是仅仅一个位置向量。

    • 在场景中排序物体是一个很困难的技术,很大程度上由你场景的类型所决定,更别说它额外需要消耗的处理能力了。完整渲染一个包含不透明和透明物体的场景并不是那么容易。更高级的技术还有次序无关透明度(Order Independent Transparency, OIT),但这超出本教程的范围了。现在,你还是必须要普通地混合你的物体,但如果你很小心,并且知道目前方法的限制的话,你仍然能够获得一个比较不错的混合实现。

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