八、隐藏面消除解决方案

1. OpenGL中的正面、背面（隐藏面）

左侧正面，右侧背面.png

在上图右侧三角形中，线条是从 V0 ->V1 -> V2 -> V0 沿着顶点顺时针方向形成⼀个闭合三角形。这种顺序与方向结合来指定顶点的⽅式称为环绕。
环绕方式由两种：一种是顺时针环绕，一种是逆时针环绕。
在 OpenGL 中默认具有逆时针⽅向环绕的多边形为正面。当我们从正面看屏幕上的这个图时，左侧三角形展示的是正面，右侧三角形展示的是背面。假设我们绕到这个图的背面去看时，顺时针和逆时针的方向就变了。所以如555555t是否为正面，是由环绕方向及观察者方向共同决定的。
这种默认可以更改，更改代码如下。但是由于大家都习惯逆时针方向为正面，所以不建议更改。

glFrontFace(GL_CW);
GL_CW: 设置OpenGL 顺时针环绕的多边形为正面;
GL_CCW: 设置OpenGL 逆时针环绕的多边形为正面

2. 为什么要区分正面、背面

在图形渲染过程中，我们能看到的正面会渲染出颜色，背面黑色。区分了正背面后，可以将背面剔除，以某种方式丢弃这部分数据，不渲染背面，可以提高至少 50% 的渲染性能。

3. 隐藏面消除解决方案

3.1 油画算法

先渲染场景中离观察者较远的图层，再渲染较近的图层。
下图中有多个图层依次叠加在一起，遵循油画算法，先渲染红色图层、再绘制黄色图层、最后渲染灰色图层。这样叠加在一起，可以自然的将背面藏起来，让大家看不到。

图层由远及近绘制.png

3.1.1 油画算法存在的问题

这种方法是非常低效的，因为对于图层重叠的每个像素都要进行多次渲染。
如果图层之间，不是平行的一层一层的叠加，而是交叉叠放时，没有明确的先后顺序，油画算法就不能解决问题了。如下图这样：

图层相互交叠.png

3.2 使用正面、背面剔除

//1.开启正背面剔除
glEnable(GL_CULL_FACE);
//2.关闭正背面剔除
glDisable(GL_CULL_FACE);
//3. 指定剔除面：mode 参数的可用值为GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK
glCullFace(GLenum mode);

3.2.1 代码实践

我们通过一个 3D 的甜甜圈案例，来看看正背面剔除的效果。

首先画一个 3D 甜甜圈. OpenGL有一个甜甜圈的批次类，可以直接供给我们使用。

    // 4.创建一个甜甜圈批次类
    //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);

通过上下左右键位，控制甜甜圈旋转

//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();
}

旋转后重绘甜甜圈


//渲染场景
void RenderScene()
{
    //1.清除窗口和深度缓冲区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_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();
}

接下来，看下运行效果：

我们绘制的是红色的甜甜圈，在OpenGL中，正面绘制的是我们设置的颜色，背面绘制的黑色。
最初展示时，我们看到的是正面红色，这是正确的。但是随着观察者旋转，展示出红黑相间的样子，最终转到背面时，展示全黑色。
OpenGL 正面背面都绘制时，显示的效果就错乱了。

未进行背面剔除的甜甜圈.gif

4.1 对甜甜圈进行背面剔除

对甜甜圈进行背面剔除，背面看不到就不绘制。

    // 开启背面剔除
    glEnable(GL_CULL_FACE);
    
    //5.绘制
    torusBatch.Draw();
    
    // 关闭背面剔除
    glDisable(GL_CULL_FACE);

背面剔除的甜甜圈.gif

不过看起来甜甜圈还有些问题，旋转到侧面时，看起来在上半部分或者下半部分缺少了一个块。为什么呢？

这是因为整个甜甜圈，我们能看到的都是正面。如下图中的ABCD四个区域，都是正面。当甜甜圈旋转到侧面对着我们时，AB区域就重合了。但是这两个都是正面，哪个该显示，哪个不该显呢？
我们直观的看上去，知道应该显示的A区，因为A区离我们更近，所以在重叠时，A区应该挡住B区。
但是OpenGL它不知道哪个离我们近呀。应该怎么让它知道呢？这个时候，我们就需要借助深度测试了。

image.png

3.3 深度测试

3.3.1 深度

表示的是像素在Z轴上距离观察者的距离。
取值范围是0~1，默认值是1，通常精度是24位，也可以设置为16位或者32位，位数越大，精度越好。
一般情况下，我们作为观察者，看手机屏幕时，是处于Z轴的负半轴。从这个角度上看，深度值（Z值）越小，离观察者越近。
屏幕深度值具有非线性特性（在投影矩阵应用之前是线性的），即深度值 = 0.5 不代表物体 z 值在投影平截头体的中间。

3.3.2 深度缓冲区

是一块内存区域，存储每一个像素点的深度值，一个像素只有一个深度。

3.3.3 深度测试

深度缓冲区与颜色缓冲区是对应的，一个存储像素的深度值，一个存储像素的颜色值。
每当有新的图形图像传入时，先判断它的深度值，如果大于该像素在深度缓存区的深度值则丢弃。反之将新的深度值和颜色值，更新到对应的深度缓冲区及颜色缓冲区。（因为一般情况深度值越小的离观察者越近，这个规则也可以更改）。这个过程，称为深度测试。

// 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
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);

深度测试判断模式.png

3.3.4 甜甜圈开启深度测试

  // 开启深度测试
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    
    //5.绘制
    torusBatch.Draw();
    
    // 关闭深度测试
    glDisable(GL_DEPTH_TEST);

开启深度测试后的甜甜圈.gif

现在甜甜圈的展示，已经非常好了！
其实开启了深度测试后，我们甚至不需要使用背面剔除功能。因为深度测试的原理是一个像素内只绘制离观察者最近的图形图像。甜甜圈的背面离观察者远，自然不会绘制。

3.3.5 深度测试存在 Z-Fighting / Z闪烁的问题

如果AB两个深度值特别相近，已经超出了深度值的精度位数，就无法比较两个值的大小，会出现可能一会儿显示A的图像，一会儿显示B的图像，造成一种闪烁的现象，这个现象叫做Z-Fighting 或者 Z闪烁。

3.3.6 Z-Fighting / Z闪烁解决方案

多边形偏移。如果两个相差的很小，可以人为的设置一个偏移值，使得两个值变大，变大后符合精度位数限制，就可以正确的比较大小了。

// 1. 开启多边形偏移
glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
// 2. 关闭多边形偏移
glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
参数列列表: 
GL_POLYGON_OFFSET_POINT   对应光栅化模式: GL_POINT
GL_POLYGON_OFFSET_LINE    对应光栅化模式: GL_LINE
GL_POLYGON_OFFSET_FILL    对应光栅化模式: GL_FILL

// 2. 设定偏移量（一般情况下，设置-1, -1）
glPolygonOffset(Glfloat factor,Glfloat units)

3.3.6 Z-Fighting / Z闪烁预防方案

不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三角形叠在⼀一起。因为手动去插⼊这个偏移是要付出代价的。
尽可能将近裁剪⾯设置得离观察者远一些。上面我们看到，在近裁剪平⾯附近，深度的精确度是很高的，因此尽可能让近裁剪面远⼀些的话，会使整个裁剪范围内的精确度变⾼一些。但是这种⽅式会使离观察者较近的物体被裁减掉，因此需要调试好裁剪面参数。
使⽤更⾼位数的深度缓冲区，通常使用的深度缓冲区是24位的，现在有⼀些硬件使⽤32位的缓冲区，使精确度得到提⾼。

3.4 裁剪测试

裁剪测试是OpenGL提高渲染性能的一种方式。只刷新屏幕上变化的部分。
原理是设置一个裁剪区域，只渲染裁剪区域内的图形图像。也就是只有在范围内的片元，才会到达帧缓冲区，超出范围的将被丢弃。

//1 开启裁剪测试 
glEnable(GL_SCISSOR_TEST);
//2.关闭裁剪测试 
glDisable(GL_SCISSOR_TEST);
//3.指定裁剪窗⼝，  x,y:指定裁剪框左下角位置; width , height:指定裁剪尺⼨
void glScissor(Glint x,Glint y,GLSize width,GLSize height);

3.5 混合

在像素缓冲区中，每一个像素有一个对应的颜色值。
如果未开启深度测试，新的颜色值将会改变颜色缓冲区的颜色值；如果开启了，新的颜色值离观察者更近的才会改变。
当新的颜色透明度为 1 时，新的颜色值需要改变颜色缓冲区的颜色值时，会直接覆盖。小于 1 时，两种颜色需要混合显示。

// 启用颜色混合
glEnable(GL_BlEND);
// 关闭颜色混合
glDisable(GL_BlEND);

3.5.1 混合方程式

Cf = (Cs * S) + (Cd * D)
Cf :最终计算参数的颜⾊
Cs : 源颜⾊
Cd :⽬标颜色
S:源混合因⼦子
D:⽬标混合因⼦

// 选择混合方程式
void glbBlendEquation(GLenum mode);

// 设置混合因⼦, S:源混合因子 D:⽬标混合因⼦
void glBlendFunc(GLenum S,GLenum D); 
// 常见的混合因子
void glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA,GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

// 设置混合因⼦及Alpha因⼦
// strRGB: 源颜⾊的混合因子 
// dstRGB: ⽬标颜色的混合因子 
// strAlpha: 源颜⾊的Alpha因子 
// dstAlpha: ⽬标颜色的Alpha因⼦
void glBlendFuncSeparate(GLenum strRGB,GLenum dstRGB ,GLenum strAlpha,GLenum dstAlpha);

// 设置常量混合颜色，默认黑色
void glBlendColor(GLclampf red ,GLclampf green ,GLclampf blue ,GLclampf alpha );

可选择的混合方程式.png

混合因子.png

表中R、G、B、A 分别代表红、绿、蓝、alpha。
表中下标S、D，分别代表S:源混合因子 D:⽬标混合因⼦
表中C 代表常量颜色(默认⿊色)