OpenGL中的正面&背面剔除和深度测试

一、渲染中可能会出现的问题（不希望出现的几何图形）

默认情况下，我们所渲染的每个点、线或三角形都会再屏幕上进行光栅化，并按照在组合图元批次时指定的顺序排列，这在某些情况下会产生问题。

如果我们绘制一个由很多个三角形组成的实体对象，那么第一个绘制的三角形可能会被后面绘制的三角形覆盖。如下图这个像游泳圈似的模型，其中一些三角形在游泳圈的背面，另一些在正面，正常我们应该是看不到背面的（不考虑透明几何体的特殊情况）。这样的话，三角形绘制的顺序可能会一团糟，就变成了下图的样子：

存在问题的图形.png

二、解决方法

1. 油画法（painters algorithm）:

对这些三角形排序，先渲染较远的三角形，再在它们上方渲染较近的三角形。但这种方法在图形处理中效率很低，必须在任何发生重叠的地方对每个像素进行两次写操作，速度会变慢。并且对独立的三角形排序的开销会过高。所以一般不推荐使用。

2. 正面&背面剔除:

对正面和背面三角形进行区分的原因之一就是为了进行剔除。背面剔除能极大提高性能，避免上图出现的问题。它很高效，在渲染的图元装配阶段就整体抛弃了一些三角形。
开启背面剔除：

glEnable(GL_CULL_FACE);

关闭背面剔除：

glDisable(GL_CULL_FACE);

请注意，我们并没有知名剔除的是正面还是背面。这是由另外一个函数 glCullFace 控制的。

void glCullFace(GLenum mode);

mode 参数的可用值为 GL_FRONT、GL_BACK 或 GL_FRONT_AND_BACK。这样要消除不透明物体的内部几何图形就需要两行代码：

void glCullFace(GL_BACK);
glEnable(GL_CULL_FACE);

在某些情况下，剔除实体几何体的正面也很有必要，比如要显示图形内部渲染的时候。在渲染透明对象时（下面马上就会讲到混合），我们经常会对一个对象进行两次渲染，第一次会开启透明并剔除正面，第二次则消除背面。这样就在渲染正面之前渲染了背面，这也是渲染透明物体的需要。

但是在开启背面剔除后，会发现上面的游泳圈模型还是显示的有问题，如图：

未开启深度测试.png

这是因为没有开启深度测试。

3. 深度测试:

• 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。观察者可能放在坐标系的任何位置，那么，就不能简单的说 Z 数值越大或越小，就是越靠近观察者。
  如果观察者在Z轴的正方向，Z 值大的靠近观察者，如果是在Z轴的反方向，则 Z 值小的更靠近观察者。
• 深度缓冲区（DepthBuffer）：
  深度缓冲区原理就是把一个距离观察平面(近裁剪面)的深度值(或距离)与窗口中的每个像素相关联。
  首先，使用glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)，把所有像素的深度值设置为最大值。
  如果启用了深度缓冲区，在绘制每个像素之前，OpenGL会把它的深度值和已经存储在这个像素的深度值进行比较。如果，新像素深度值 < 原先像素深度值，则新像素值会取代原先的；反之，新像素值被遮挡，它的颜色值和深度将被丢弃。
  这个比较、丢弃的过程就叫做 深度测试，深度测试是另一种高效消除隐藏面的技术。

申请一个颜色缓冲区和一个深度缓冲区：

glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);

要启用深度测试，只需调用

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

关闭深度测试：

glDisable(GL_DEPTH_TEST);

如果没有深度缓冲区，那么启动深度测试的命令将被忽略。
在绘制场景前，清除颜色缓冲区和深度缓冲区：

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

开启了深度测试后，我们终于得到了一个我们想要的游泳圈模型：

完美的游泳圈.png

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。
用户通过glDepthFunc(GLenum func)函数指定深度测试的规则，这个函数包括一个参数，如下表：

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

z-fighting（z冲突、闪烁）问题:

闪烁问题.png

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。

• 避免深度值相同造成的z-fighting冲突问题的几种做法：
• 1. 在第二次绘制时，插入一个少量的偏移。
• 2. 使用 glPolygonOffset 函数调节片段的深度值，使得深度值偏移而不产生重叠。
• 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。

以上的总结参考了并部分摘抄了以下文章，非常感谢以下作者的分享！：

1、《OpenGL超级宝典 第5版》
2、《OpenGL编程指南（第八版）》
3、作者 The fool 的《OpenGL学习脚印：深度测试(depth testing)》
4、作者 lysc_forever的《OpenGL中的深度、深度缓存、深度测试》

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