5、OpenGL正背面剔除、深度缓冲区

1. OpenGL 在渲染过程中可能会产生一些问题

在绘制3D场景时，我们需要决定哪些部分是对观察者可⻅的，或者哪些部分是不可见的。对于不可⻅的部分，应该及早丢弃，这种做法叫做隐藏⾯消除。

解决方案

1.1 油画算法
先绘制场景中的离观察者较远的物体，再绘制较近的物体。
如下图
先绘制红色部分，再绘制⻩色部分，最后再绘制灰⾊部分，即可解决隐藏面消除的问题。即将场景按照物理距离和观察者的距离远近排序，由远及近的绘制即可。

油画算法.png

弊端：如图如果三个三⻆形是相互重叠的，油画算法将⽆法处理。

油画算法弊端.png

1.2. 正背⾯剔除(Face Culling)
从任何⼀个⽅向去观察一个立方体，最多可以看到3个⾯。如果我们能以某种⽅式去丢弃这部分数据。OpenGL在渲染的性能即可提高超过50%。

任何平⾯都有2个⾯：正⾯和背面，⼀个时刻我们只能看到一面。通过分析顶点数据的顺序，OpenGL可以做到检查所有正面朝向观察者的面，并渲染它们；从⽽丢弃背面朝向的面。
正背面的区分：
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

⚠️注意：正⾯和背⾯是有三角形的顶点定义顺序和观察者方向共同决定的。若观察者的观察⽅向发生改变，正⾯和背面也会发生相应的改变。

⽴⽅体中的正背面.png

当观察者在右侧时：右边的三角形为逆时针方向，则为正面；而左侧的三⻆形为顺时针，则为背⾯
当观察者在左侧时：左边的三⻆形为逆时针⽅向，则为正⾯；而右侧的三⻆形为顺时针，则为背⾯
弊端：如果前后两个点都是正面或是背面，这时OpenGL无法区分哪个面在前，哪个面在后，就可能出现下图所示的问题。

正背⾯剔除的弊端.png

2 OpenGL中的剔除

//开启表面剔除(默认背面剔除)
glEnable(GL_CULL_FACE);

//关闭表面剔除(默认背面剔除)
glDisable(GL_CULL_FACE);

//选择剔除那个面(正面/背面)
// mode参数为: GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK，默认GL_BACK
glCullFace(GLenum mode);

//用户指定绕序那个为正面
//mode参数为: GL_CW, GL_CCW,默认值:GL_CCW
glFrontFace(GL enum mode);

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

//剔除正面实现②
glCullFace(GL_FRONT);
glFrontFace(GL_CCW);

3 深度

深度，就是像素点在3D世界中距离观察者的距离，即Z值

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

3.1深度缓冲区（Depth Buffer）

深度缓冲区和颜⾊缓存区是对应的。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。
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

深度缓存区原理

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

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，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);

3.2 深度测试

一个物体在绘制时，像素点新的深度值需要与深度缓存中已经存在的深度值作比较，如果新值 > 旧值，则丢弃这部分不绘制，反之，将新的深度值更新至深度缓存区，由于深度缓存区与颜色缓存区是一一对应的，同时也需要更新该像素点的颜色值到颜色缓存区，这个过程就是深度测试

正背⾯剔除的弊端的问题，我们就需要利用深度测试来解决，需要在绘制前开启深度测试glEnable(GL_DEPTH_TEST);，用于新旧深度值的对比，决定像素点是绘制还是丢弃，所以在之前代码的基础上，主要需要修改RenderScene函数，起流程图如下所示

开启深度测试.png

开启和关闭的逻辑，主要取决于右键菜单的点击次数，第一次打开，第二次关闭，以此类推

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

深度测试的开启，在绘制完成后，都需要关闭glDisable(GL_DEPTH_TEST);

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
使⽤正⾯/背面剔除法和深度测试法解决了OpenGL的渲染效率问题。

4. 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

ZFIghting闪烁.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

解决办法多边形偏移（Polygon Offset）方案

1.启用Polygon Offset
增大重叠或深度值接近的2个图形的深度值差距，使得OpenGL可以区分两个深度值。

glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)

Polygon Offset模式｜Polygon Offset模式
--｜--
GL_POLYGON_OFFSET_FILL ｜GL_FILL
GL_POLYGON_OFFSET_LINE ｜GL_LINE
GL_POLYGON_OFFSET_POINT ｜ GL_POINT

2.指定偏移量glPolygonOffset (GLfloat factor, GLfloat units);
offset为负值，将使得z值距离摄像机更近；⽽正值，将使得z值距离摄像机更远。一般而言，我们设置factor和units设置为-1.0和-1.0。

//应⽤到⽚段上总偏移计算⽅程式
//Depth Offset = (DZ * factor) + (r * units);
//DZ：深度值(Z值)
//r：使得深度缓冲区产⽣变化的最⼩值，是由具体OpenGL平台指定的⼀个常量
void glPolygonOffset(Glfloat factor, Glfloat units);

3.关闭Polygon Offset

// 参数和开启的参数相同
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