OpenGL正背面剔除、深度测试

关于OpenGL绘制流程可查看,之前写的一篇文章,详细解读了各个绘制步骤

OpenGL绘制流程

本文主要说明在绘制过程中的正背面剔除以及深度测试效果;

本示例具体代码演示下载地址

下载示例代码运行,运行效果如下图,能够正常绘制出甜甜圈的效果,可以偷偷的笑开心下;

甜甜圈

当旋转甜甜圈的时候,发现如下图所示问题,在旋转的过程中,出现了黑色的部分,这个看起来可不太友好;面对如此问题该如何解决呢?

旋转甜甜圈

在绘制3D场景的时候,我们需要决定哪些部分是对观察者可⻅的,或者哪些部分是对观察者不可见的.对于不可见的部分,应该及早丢弃.例如在一个不透明的墙壁后,就不应该 渲染.这种情况叫做”隐藏⾯面消除”(Hidden surface elimination).

解决方案:

油画算法

油画画法

先绘制场景中的离观察者较远的物体,再绘制较近的物体(具体步骤见上图,先绘制红色方块,接着是黄色圆形,接着是灰色长方形),即可解决隐藏面消除的问题;

油画画法弊端

使⽤油画算法,只要将场景按照物理距离观察者的距离远近排序,由远及近的绘制即可.那么会出现什么问题? 如果个三⻆形是叠加的情况,油画算法将⽆法处理

叠加三角形

OpenGL提供的解决方案:

正背面剔除(Face Culling)

可以想像下,当我们看到一个3D图形时,无论从哪个方向去观察,最多可以看到几个面?~~~答案是3个;基于此,那么就没有必要绘制根本看不到的3个面,将看不到的3个面以某种方式丢弃,OpenGL的渲染性能即可提高50%

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. 这样可以节约片元着⾊器的性能

glEnable(GL_CULL_FACE);//开启正面剔除

glDisable(GL_CULL_FACE);//关闭正面剔除

当开启正面剔除后,运行demo会看到如下效果,prefect~

开启正背面剔除效果

上面提到了正面、背面两个概念,那么OpenGL是如何识别正面背面,以及是否可以自定义哪个方向是正面哪个方向是背面呢?

通过分析顶点数据的顺序可知

顶点顺序

背面: 按照顺时针顶点连接顺序的三⻆形面

正⾯: 按照逆时针顶点连接顺序的三⻆形⾯

立体图形中的正背面

1、左侧三角形顶点顺序为: 1—> 2—> 3 ; 右侧三角形的顶点顺序为: 1—> 2—> 3 .

2、当观察者在右侧时,则右边的三⻆形⽅向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 

3、当观察者在左侧时,则左边的三⻆形为逆时针⽅向判定为正面,而右侧的三⻆角形为顺时针判定为背面.

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.随着观察者的⻆度方向的改变,正面背面也会跟着改变

⽤户选择剔除哪个面(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

例如:剔除正面实现

glCullFace(GL_BACK);

glFrontFace(GL_CW); 

使用正背面剔除效果后,在旋转的过程中没有黑色阴影出现,但是当旋转到前后重叠的时候,会发现,出现了如下图所示效果(出现了一个缺口)?是什么原因导致呢?

开启正背面剔除后,当旋转到正背面重合时,出现缺口

在甜甜圈旋转过程中,当旋转到前后两部分重叠时,正常情况下应该显示的是离我们近的位置即前面部分,后面部分是隐藏面,但是OpenGL中并不能清除的区分,两个图层谁显示在前,谁显示在后,由此导致甜甜圈产生了缺口

那么如何解决此问题呢?OpenGL给我们提供了哪些方案呢?

在解决问题之前需要了解OpenGL坐标体系中的两个概念,深度、深度缓存区

深度

深度其实就是该像素点在3D世界中距离摄像机的距离,Z值

深度值一般由16位,24位或者32位值表示,通常是24位。位数越高的话,深度的精确度越 好。深度值的范围在[0,1]之间

值越⼩表示越靠近观察者

值越大表示远离观察者

深度缓存区 

深度缓存区,就是一块内存区域,专门存储着每个像素点(绘制在屏幕上的)深度值.存储在显存中

深度值(Z值)越⼤, 则离摄像机就越远.

深度值(Z值)越小, 则离摄像机就越近.

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,则距离远的位图因为后绘制,会把距离近的物体覆盖掉. 有了深度缓冲区后,绘制物体的顺序就不那么重要了. 实际上,只要存在深度缓冲区,OpenGL 都会把像素的深度值写⼊到缓存区中. 除非调⽤用 glDepthMask(GL_FALSE).来禁止写⼊.

还记得在渲染的代码中有一行就是用来专门清除缓存的,包括颜色缓存、深度缓存;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;在不清楚清除哪部分数据的时候,可以选择全部清除,如下

//清空颜色、深度缓存区

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

在了解了深度以及深度缓存区之后,在面临上面缺口问题的时候,OpenGL提供的解决方案就正式出场啦---深度测试

深度测试

glEnable(GL_DEPTH_TEST);//开启深度测试

glDisable(GL_DEPTH_TEST);//关闭深度测试

开启深度测试后,在绘制过程中,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

开启深度测试后,看看效果,在旋转过程中,即使前后重叠,也不会出现缺口的现象,如下图

开启深度测试效果

深度测试解决的问题:

1、当类似甜甜圈旋转时,前后2个部分重叠,此时OpenGL不能清除分辨哪个图层在前面,哪个图层在后面,则会出现缺口

2、隐藏面消除,除了使用正背面剔除外,还可使用深度测试来解决

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