OpenGL--深度测试、多边形偏移、混合

1、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。

• 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；
  注意：以上两种情况的坐标系都是相对于物体的坐标系，而不是观察者。

深度缓冲区（Depth Buffer）

深度缓存区是指一块专门内存区域，存储在显存中，用于存储屏幕上所绘制图形的每个像素点的深度值。

• 深度值越大，离观察者越远；
• 深度值越小，里观察者越近；

深度缓冲区原理

将深度值与屏幕上的每个像素点进行一一对应，然后将深度值存储到深度缓冲区。

• 在深度缓存区中，每个像素点只会记录一个深度值；
• 深度缓冲区的范围是[0, 1]之间，默认值是1.0，表示深度值的最大值；

之前的demo中，在RenderScene函数绘制前，都会先清空缓存区，这里的缓冲区就包括深度缓冲区与颜色缓冲区，因为如果缓存区不清空，之前的数据会有残留，会对目前图形的绘制造成影响。

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

深度测试

在绘制一个物体表面时，⾸先会将物体表⾯对应的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和颜⾊值，分别更新深度缓冲区和颜⾊缓存区。

// 在绘制场景前,清除颜⾊缓存区,深度缓冲
glClearColor(0.0f,0.0f,0.0f,1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

// 开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// 关闭深度测试
glDisable(GL_DEPTH_TEST);

// 打开/关闭深度缓冲区写入 ，GL_FALSE: 关闭写入 GL_TRUE：打开写入[图片上传中...(GLEnum mode.png-ccee42-1594522176751-0)]

glDepthMask(GLBool value);

// 指定深度测试判断模式，默认GS_LESS，当前深度值 < 存储深度值时通过
glDepthFunc(GLEnum mode);

GLEnum mode.png

深度测试应用场景

甜甜圈缺口.png

在绘制甜甜圈demo中，当旋转时，就会出现上图甜甜圈缺口的情况，其原因是OpenGL无法区分物体的两部分重叠情况，导致缺口出现。此时，就可以通过深度测试来解决，即隐藏面的消除。修复后结果图如下所示：

深度测试修补缺口.png

隐藏面消除方案 总结

• 正背面消除：需要根据顶点数据顺序判断用户可见部分与隐藏面，隐藏面直接丢弃，不绘制，只绘制可见部分；
• 深度测试：可以一次性解决隐藏面消除问题，原理是不管有多少图层，只显示可见图层，剩余不可见的都丢弃；

2、多边形偏移

Z-Fighting(Z冲突，闪烁)问题

开启深度测试后，由于深度缓冲区精度有限制，导致深度值在误差极小时，OpenGL出现无法判断的情况，导致出现画面交错闪现的现象，例如下图所示：

Z-Fighting.png

其问题产生的主要原因是由于图形靠的太近，导致无法区分出图层先后次序。针对该问题，OpenGL提供了一种多边形偏移(Polygon Offset)方案。

使用多边形偏移，主要有以下三个步骤

• 在绘制前，开启多边形偏移;

glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

• 指定偏移量 glPolygonOffset (GLfloat factor, GLfloat units)，参数一般填 -1 和 -1;
• 在绘制完成后，关闭多边形偏移；

glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

预防ZFighting闪烁

• 避免两个物体靠的太近：在绘制时，插入一个小偏移；
• 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；
• 使用更高位数的深度缓冲区：提高深度缓冲区的精确度（通常使⽤的深度缓冲区是24位的，现在有⼀些硬件使⽤32/64位的缓冲区）；

3、混合

当开启深度测试后，两个重叠的图层中，如果有一个图层是半透明的，另一个是非半透明，此时就不能通过深度值比较，来进行颜色值的覆盖，而是需要将两个颜色进行混合，然后存入颜色缓冲区。

使用

针对不同需求，颜色混合的使用方式有两种

• 开关方式
  用于单纯的将两个图层重叠时进行颜色混合，这种混合并不能解决颜色的混合。在固定着色器和可编程着色器都可以使用这种方式。

//开启，
glEnable(GL_BlEND);
//关闭
glDisable(GL_BlEND);

• 开关方式 + 混合方程式
  用于处理类似滤镜效果的场景，简单描述就是将需要处理的图片颜色和图片上覆盖的半透明颜色进行混合，即两股颜色混合，此时如果只是单纯的开关方式，已经不能满足我们的需求，需要借助混合方程式，来实现两股颜色的混合。一般是在可编程着色器中片元着色器中使用。

//开启，
glEnable(GL_BlEND);
//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);
//关闭
glDisable(GL_BlEND);

在glBlendFunc方法中，是通过混合方程式来得到颜色的组合，默认情况下混合方程式如下所示：

//Cf -- 最终组合的颜色值
//Cd：源颜色 -- 当前渲染命令传入的颜色值
//CS：目标颜色 -- 颜色缓冲区中已经存在的颜色值
//S：源混合因子
//D：目标混合因子 
Cf = (Cs * S) + (Cd * D)

在混合方程中，新颜色的alpha值越高，添加的新颜色成分就越高，旧颜色值值就保留的越少。

混合总结

• 在颜色缓冲区中，每个像素点只能存储一种颜色；
• 颜色混合主要用于实现在不透明物体前绘制透明物体的效果；
• 只有上面图层是透明时，才需要开启颜色混合，如果不是，则没有必要开启颜色混合；