OpenGL之 甜甜圈与背面剔除

一、画一个甜甜圈

PS：全都是套路
!!!友情再次提示，这一部分主要是画甜甜圈的代码解析部分，对此已经熟练掌握的朋友可以直接跳过。

1、引入的库

#include "GLTools.h"    
#include "GLMatrixStack.h"
#include "GLFrame.h"
#include "GLFrustum.h"
#include "GLGeometryTransform.h"

#include 
#ifdef __APPLE__
#include 
#else
#define FREEGLUT_STATIC
#include 
#endif

2、用到的变量

////设置角色帧，作为相机
GLFrame             viewFrame;
//使用GLFrustum类来设置透视投影
GLFrustum           viewFrustum;
//批次类
GLTriangleBatch     torusBatch;
//模型视图矩阵堆栈
GLMatrixStack       modelViewMatix;
//投影矩阵堆栈
GLMatrixStack       projectionMatrix;
//管线
GLGeometryTransform transformPipeline;
//着色器管理类
GLShaderManager     shaderManager;

//标记：背面剔除是否开启状态
int iCull = 0;

3、 代码实现

由于上一篇已经讲述了画金字塔的代码基本流程，重复部分这里不再赘述，下面主要描述一些不一样的地方。

3.1 main()函数

在main函数中，添加以下代码，将SpecialKeys设置为特殊键位触发的回调函数。

glutSpecialFunc(SpecialKeys);

3.2 SpecialKeys()函数

通过SpecialKeys()函数的参数key，确定当前触发的按钮键位是上、下、左、右的哪一个，而后设置观察者的旋转角度和方向。

//键位设置，通过不同的键位对其进行设置
//控制Camera的移动，从而改变视口
void SpecialKeys(int key, int x, int y)
{
    //1.判断方向
    if(key == GLUT_KEY_UP)
        //2.根据方向调整观察者位置
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_DOWN)
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_LEFT)
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    
    if(key == GLUT_KEY_RIGHT)
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
    
    //3.重新刷新
    glutPostRedisplay();
}

3.3 SetupRC()函数

与上一篇绘画金字塔不同的是，在绘制甜甜圈的时候，使用GLTool工具类提供的gltMakeTorus()函数来绘制，传入批次类对象、内外边缘半径、以及主从半径细分单元数量，该方法会创建顶点数据并复制到批次类对象中。

gltMakeTorus(torusBatch, 1.0f, 0.3f, 52, 26);

3.3 RenderScene()函数

与上一篇绘制金字塔不同的是，这里使用的是默认光源着色器，通过光源、阴影效果能更加体现立体效果。

//使用默认光源着色器
//通过光源、阴影效果更加体现立体效果
//参数1：GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT 默认光源着色器
//参数2：模型视图矩阵
//参数3：投影矩阵
//参数4：基本颜色值
shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, transformPipeline.GetModelViewMatrix(), transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vRed);
    
//5.绘制
torusBatch.Draw();

到这边，就完成了甜甜圈的绘制工作，具体效果如下图。

image.png

二、背面剔除

在完成甜甜圈绘制之后，我们可以尝试通过上下左右键控制甜甜圈旋转起来。在旋转的时候，很明显的就能发现一个问题，如下图。

image.png

2.1 出现问题的原因

在立体图像绘制的过程中，其实是有一个个图形如三角形绘制而成的，后面绘制的始终会覆盖前面绘制的。且正常情况下，从观察者视角来说，如果不论正面或者背面的图形都绘制出来，则就有可能出现上图这种情况，这种情况称为隐藏面消除。

2.2 解决问题的方法

2.2.1 油画算法

image.png

如上图，根据油画算法的规则，先绘制最远的物体，由远及近的绘制，从而解决隐藏面消除的问题。

但是，这个方法并不能完全解决问题。

image.png

一旦出现上图中的情况，油画算法无法知道应该先绘制哪个物体，油画算法也就无法使用了。

2.2.2 正背面剔除（Face Culling）

一个3D的图形，无论从任何方向，最多能看到3个面。那么多余的面的图形其实就没有必要去绘制它，如果能丢弃这部分内容，对于OpenGL的渲染性能能够提高约50%。

image.png

在OpenGL中，任何图形都有正、反面之分，如上图，从观察者位置出发，右边的三角形顶点顺序为1-2-3，方向是逆时针，为正面，左边的三角形顶点顺序为也为1-2-3，方向是顺时针，为反面。

而正背面剔除的原理就是，OpenGL会检查所有绘制图形的正背面，正面的图形会渲染，反之背面的图形会丢弃。

正背面剔除相关代码如下：

//开启表面剔除(默认背面剔除)
void glEnable(GL_CULL_FACE);
//关闭表面剔除(默认背面剔除)
void glDisable(GL_CULL_FACE);

//用户选择剔除那个面(正面/背面)
//mode参数为: GL_CW,GL_CCW,默认值:GL_CCW
void glCullFace(GLenum mode);

//mode参数为: GL_FRONT,GL_BACK,GL_FRONT_AND_BACK ,默认GL_BACK 用户指定绕序那个为正面
void glFrontFace(GLenum mode);

//剔除正面实现例1
glCullFace(GL_BACK);
glFrontFace(GL_CW);

//剔除正⾯实现例2
glCullFace(GL_FRONT);