1.甜甜圈案例

GLFrame             viewFrame;
//使用GLFrustum类来设置透视投影
GLFrustum           viewFrustum;
GLTriangleBatch     torusBatch;
GLMatrixStack       modelViewMatix;//模型视图矩阵
GLMatrixStack       projectionMatrix;//投影矩阵
GLGeometryTransform transformPipeline;
GLShaderManager     shaderManager;


GLFrame                cameraFrame;

int main(int argc, char* argv[])
{
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
    
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
    glutInitWindowSize(800, 600);
    glutCreateWindow("Geometry Test Program");
    glutReshapeFunc(ChangeSize);
    glutSpecialFunc(SpecialKeys); //键盘上下左右控制物体移动
    glutDisplayFunc(RenderScene);
    
    GLenum err = glewInit();
    if (GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    
    SetupRC();
    
    glutMainLoop();
    return 0;
}
void RenderScene()
{
    //1.清除窗口和深度缓冲区
    //可以给学员演示一下不清空颜色/深度缓冲区时.渲染会造成什么问题. 残留数据
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    
    //2.把摄像机矩阵压入模型矩阵中
    modelViewMatix.PushMatrix(viewFrame);
    
  
    
    //3.设置绘图颜色
    GLfloat vRed[] = {1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
    

    
    //使用默认光源着色器
    //通过光源、阴影效果跟提现立体效果
    //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();

    //6.出栈 绘制完成恢复
    modelViewMatix.PopMatrix();
    
    //7.交换缓存区
    glutSwapBuffers();
}
void SetupRC()
{
    //1.设置背景颜色
    glClearColor(0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f );
    
    //2.初始化着色器管理器
    shaderManager.InitializeStockShaders();
    
    //3.将相机向后移动10个单元：肉眼到物体之间的距离
   viewFrame.MoveForward(10);
    
    
    //4.创建一个甜甜圈
    //void gltMakeTorus(GLTriangleBatch& torusBatch, GLfloat majorRadius, GLfloat minorRadius, GLint numMajor, GLint numMinor);
    //参数1：GLTriangleBatch 容器帮助类
    //参数2：外边缘半径
    //参数3：内边缘半径
    //参数4、5：主半径和从半径的细分单元数量
    gltMakeTorus(torusBatch, 1.0f, 0.3f, 52, 26);
    
    //5.点的大小(方便点填充时,肉眼观察)
    glPointSize(4.0f);
}
//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();
}

//窗口改变
void ChangeSize(int w, int h)
{
    //1.防止h变为0
    if(h == 0)
        h = 1;
    
    //2.设置视口窗口尺寸
    glViewport(0, 0, w, h);
    
    //3.setPerspective函数的参数是一个从顶点方向看去的视场角度（用角度值表示）
    // 设置透视模式，初始化其透视矩阵
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w)/float(h), 1.0f, 100.0f);

    //4.把透视矩阵加载到透视矩阵对阵中
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    
    //5.初始化渲染管线
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatix, projectionMatrix);
}

运行结果：

甜甜圈01.png

当我们使用左右键位对甜甜圈进行移动时，就突然发现甜甜圈变黑了一部分。

甜甜圈02.png

原因：任何一个物体，都有正面和背面。当我们刚开始运行的时候，我们看到的是甜甜圈的正面，正面正好是光照覆盖的面，而背面也就是光照不到的那一面，因此，背面应该是黑色的一面。当我们转动时，本该显示正面的部分却没有显示出来，这是OpenGL在绘制的时候，将正面和背面都绘制了出来，在旋转时，OpenGL不知道该显示哪一面，于是就出现了图上这种情况。

2.正背面剔除

2.1油画算法

当我们进行绘制的时候，会先绘制场景中离观察者较远的物体，再绘制较近的物体。

油画算法.png

例如绘制上述图形时，先绘制红色的，再绘制黄色的，最后绘制灰色的。

2.2油画算法的弊端

油画算法2.png

按照上述图形，使用油画算法的话我们无法确定哪一个三角形是距离观察者较近的，所以使用油画算法是画不出来的。所以，这个时候就需要使用正背面剔除，将我们看不到的部分舍弃，只绘制我们能看到的部分，这样，OpenGL的性能也能提高50%。

2.3正背面区分

任何平面都有正面和背面，而我们在一个时刻只能看到一面。OpenGL可以做到检查所有正面朝向观察者的面，并进行渲染。这个时候，我们可以通过分析顶点数据的顺序来告诉OpenGL哪个面是正面。

正背面区分.png

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。

立方体的正背面.png

由上图立方体可知，当观察者在右侧时，右侧阴影三角形顶点是1->2->3，因此右侧三角形是逆时针方向为正面，左侧为背面；当观察者在左侧时，左侧阴影三角形顶点是1->2->3，因此左侧三角形是逆时针方向为正面，右侧为背面。
总结：
正面和背面是由三角形的顶点定义顺序和观察者方向共同决定的，随着观察者角度方向的改变，正面和背面也会随之改变。

2.4 OpenGL开启正背面剔除API

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)
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);
mode参数为: GL_CW,GL_CCW,默认值:GL_CCW

2.5 代码实现

在main函数里添加右击菜单栏功能

glutCreateMenu(ProcessMenu);
glutAddMenuEntry("Toggle depth test",1); //开启深度测试
glutAddMenuEntry("Toggle cull backface",2);//开启正背面剔除

添加全局变量，标记当前是否开启正背面剔除的状态

int iCull = 0;

点击菜单栏

void ProcessMenu(int value)
{
    switch(value)
    {
        case 1:
            iDepth = !iDepth;
            break;
            
        case 2:
            iCull = !iCull;
            break;
       
    }
    
    glutPostRedisplay(); //每次改变需要重新绘制
}

最后只要在渲染方法void RenderScene()中开启正背面剔除即可

if (iCull) {
        glEnable(GL_CULL_FACE);
        glFrontFace(GL_CCW);
        glCullFace(GL_BACK);
    }else
    {
        glDisable(GL_CULL_FACE);
    }

效果
当我们开启了正背面剔除，转动甜甜圈时，发现黑色消失了，但是出现了另一个问题，甜甜圈出现了一个缺口。

甜甜圈03.png

原因：当我们在转动时，前后2部分会发生重叠，此时我们需要显示的只是前面的部分，但是OpenGL并不能区分那一部分图层在前，那一部分在后，因此，就会出现图上的现象。

3.深度

3.1定义

深度指的是在3D世界中距离摄像机的距离，也就是在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，图形的Z值越大则越靠近观察者；
如果观察者在Z轴的负方向，图形的Z值越小则越靠近观察者；

3.2深度缓冲区（DepthBuffer）

深度缓冲区存储在显存中，它的原理是把距离观察者平面的深度值与窗口中的每个像素点进行1对1的关联以及存储。

为什么需要深度缓冲区？
在不使用深度测试的时候，如果我们先绘制一个距离比较近的物体，再绘制距离较远的物体，则远距离绘制的物体如果与近距离绘制的物体有重合的话，会将近距离绘制的物体覆盖。而有了深度缓冲区，OpenGL都会把像素的深度值写入缓冲区，这样使得绘制物体的顺序就没那么重要了。如果禁止写入，则调用glDepthMask(GL_FALSE)即可。

3.3深度测试解决的问题

1.当上述案例甜甜圈在旋转时，有2个部分重叠的时候，此时OpenGL不能分辨图层的前后，就会出现甜甜圈有一个缺口的现象，此时可以用深度测试解决；
2.隐藏面消除，除了使用正背面剔除，还可以使用深度测试。

3.4代码实现

添加全局变量

int iDepth = 0;//标记是否开启深度测试状态

在做正背面剔除时，我们已经在右击菜单栏添加了深度测试，在这里就不添加代码了，直接在void RenderScene()里添加开启深度测试。

 if(iDepth)
        glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    else
        glDisable(GL_DEPTH_TEST);

此时，一个完整的甜甜圈功能就完成了。

4 总结

正背面剔除：根据绘制图形的顶点数据来判断可见部分与隐藏部分，绘制时只绘制可见部分，隐藏部分丢弃；
深度测试：只显示可见图层，不可见图层直接丢弃，可直接解决隐藏面消除问题。

OpenGL 正背面剔除与深度测试