OpenGL 正背面剔除、深度测试、多边形偏移及颜色混合

• 在绘制甜甜圈的时候发现，在旋转甜甜圈的时候出现了一下的现象：
  
  image.png
  
  由于甜甜圈在旋转的过程中。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。在绘制3D场景的时候,我们需要决定哪些部分是对观察者 可见的,或者哪些部分是对观察者不可⻅的.对于不可⻅的 部分,应该及早丢弃.例如在一个不透明的墙壁后,就不应该 渲染.这种情况叫做”隐藏面消除”(Hidden surface elimination).
  油画算法
  针对这个问题，第一个方案是画家算法，先绘制场景中的离观察者较远的物体,再绘制较近的物体.如下：先绘制红色部分，在绘制黄色最后绘制灰色部分，即可解决隐藏面消除的问题。

image.png

• 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。
• OpenGL如何确定哪个是正面或者反面
  通过分析顶点数据的顺序。正面：按照逆时针顶点连接顺序的三角形面，背面：按照顺时针顶点连接顺序的三角形面。正面和背面是有三⻆角形的顶点定义顺序和观察者⽅方向共同决定的.随着观察者的⻆角度⽅方向的改变,正面背面也 会跟着改变
• 开启表⾯面剔除(默认背⾯面剔除)

void glEnable(GL_CULL_FACE);

• 关闭正背面剔除（默认背面剔除）

void glDisable(GL_CULL_FACE);

• 设置需要剔除的面

/*
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*/
void glCullFace(GLenum mode);

设置完之后出现如下情况。

image.png

• 深度测试

深度测试解决问题：OpenGL不能清除的分辨哪个图层在前，哪个图层在后。则会出现上图所示的问题。可以解决隐藏面消除的问题。

深度：深度就是在OpenGL坐标系中，像素点的z坐标距离观察者的距离。当观察者可以放在坐标系的任意位置，所以不能简单的说Z值越大或者越小。观察者就越靠近物体。
如果观察者在Z轴的正方向，Z值越大则越靠近观察者。
如果观察者在Z轴的负方向，Z值越小则越靠近观察者。
深度缓冲区（DepthBuffer）:存储在显存中。其原理就是吧距离观察者平面（近裁剪面）的深度值与窗口中每个像素点1对1进行关联以及存储，有多少个像素点就会有多少个存储深度值。

• 清空深度缓存区

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

• 开启深度测试

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

深度缓冲区（DepthBuffer）和颜色缓存区（ColorBuffer）是对应的。颜色缓存区存储像素的颜色信息，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表面时，首先要将表面对应的像素的深度值与当前的深度缓存区中的值进行比较，如果大于深度缓冲区中的值，则丢弃这部分，否则利用这个像素对应的深度值与颜色值，分别更新深度缓冲区和颜色缓存区，这个过程叫“深度测试。”

• 开启了 深度测试，则绘制每个像素点之前，OpenGL会把它的深度值与当前像素点对应存储的深度值，进行比较，如果像素点新对应深度值<像素点对应的深度值（意思是比较当前2个图层时，那个图层更加接近于观察者）那么此时就会将该像素点的深度值取而代之；反之，如果像素点上的新颜色值如果距离观察者更加的远，则应该会遮挡。那么此时它对应的深度值和颜色值就会被抛弃，不进行绘制。
• 关闭深度测试
  深度缓冲区的默认值为1.0，表示最大的深度值，深度值得范围[0,1]之间。

glDisable(GL_DEPTH_TEST);

• 修改深度测试的测试规则

//GL_ALWAYS，      总是通过测试
//GL_NEVER，        总是不通过测试
//GL_LESS，            当深度值<存储的深度时通过
//GL_EQUAL，         当深度值=存储的深度时通过
//GL_LEQUAL，       当深度值<=存储的深度时通过
//GL_GREATER，    当深度值>存储的深度时通过
//GL_NOTEQUAL， 当深度值!=存储的深度时通过
//GL_GEQUAL，      当深度值>=存储的深度时通过
glDepthFunc(GLenum func);

• 深度测试的潜在风险之Z-filghting(Z冲突、闪烁)问题。

因为开启深度测试之后，OpenGL就不会再去绘制模型被遮挡的部分，这样实现的显示更加真实，但是由于深度缓冲区的精度的限制对于深度相差非常小的情况下（例如在同一平面上进行2次绘制），OpenGL就可能出现不能正确判断两者的深度值，会导致深度测试的结果不可预测，显示出来的现象时交错闪烁，画面交错出现。

• 解决方案（启用polygon Offset多边形偏移的方式解决）
  让深度值之间产生间隔。如果两个图形之间有间隔，是不是意味着就不会产生干涉，可以理解为在执行深度测试前将立方体的深度值做一些细微的增加。于是就能将重叠的2个图形深度值与之前有所区分。
• 1. 启用Polygon Offset方式

glEnable(GLPOLYGON_OFFSET_FILL)

参数列表	对应模式
GL_POLYGON_OFFSET_POINT	GL_POINT
GL_POLYGON_OFFSET_LINE	GL_LINE
GL_POLYGON_OFFSET_FILL	GL_FILL

• 2. 指定偏移量
     通过glPolygonOffset (GLfloat factor, GLfloat units)。
     每个Fragment的深度值都会增加如下所示的偏移量：

  //m:多边形的深度的斜率的最大值，可以理解为一个多边形越是与近裁剪面平  行，m 就越小。
  //r:能够产生于窗口坐标系的深度值中可分辨的差异最小值，r是由具体是      OpenGL平台指定的一个常量。
  offset = (m * factor) + (r * units)
  

  一个大于0的offset会把模型推到离你更远的位置，相应一个小于0的offset会把模型拉近。参数一般填 -1 和-1

• 3. 关闭多边形偏移（Polygon Offset）
     glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)

• 预防ZFighting闪烁

1. 避免两个物体靠的太近：在绘制时，插入一个小偏移
2. 将近裁剪面（设置透视投影时设置）设置的离观察者远一些：提高裁剪范围内的精确度
3. 使用更高位数的深度缓冲区：提高深度缓冲区的精确度

• 颜色混合

我们把OpenGL 渲染时会把颜色值存在颜色缓存区中，每个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。
如果开启深度测试，但是2个重叠的图层，有一个图层半透明，有一个图层时半透明的。那么此时就不能进行单纯的比较深度值，然后进行覆盖。而是需要将2个图层的颜色进行混合。

///开启颜色混合
glEnable(GL_BLEND);
//关闭
glDisable(GL_BlEND);

目标颜色：已经存储在颜色缓存区的颜色值【例如前女友】
源颜色：作为当渲染命令结果进入颜色缓存区的颜色值【例如：现女友】

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。
在默认的情况下，混合方程式如下所示：
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
  设置混合因⼦子，需要⽤用到glBlendFun函数

//S:源混合因⼦子
//D:⽬目标混合因⼦子
glBlendFunc(GLenum S,GLenum D);

常见的混合函数组合来说明问题:

//设置混合因子--默认值是 GL_SRC_ALPHA 和 GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

• 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)进⾏行行组合。源颜色的alpha值 越高，添加的蓝色颜色成分越高，目标颜色所保留留的成分就会越少。混合函数经常用于实现在其他⼀些不透明的物体前面绘制⼀个透明物体的效果。