02总结--008--OpenGL 正背面消除和深度测试

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正背面消除：Face Culling

怎么判断正背面

【默认】通过顶点数据的顺序

正⾯: 按照逆时针顶点连接顺序的三⻆形面
背⾯: 按照顺时针顶点连接顺序的三角形面

观察者角度+顶点连接顺序

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观察者角度：左侧和右侧两种
顶点连接顺序：顺时针和逆时针两种

从右侧观看

左侧三角形顶点顺序为: 1—> 2—> 3，顺时针，为背面
右侧三角形的顶点顺序为: 1—> 2—> 3，逆时针，为正面

从左侧观看

左侧三角形顶点顺序为: 1—> 2—> 3，逆时针，为正面
右侧三角形的顶点顺序为: 1—> 2—> 3，顺时针，为背面

【总结】

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

怎么消除正背面

先来看一组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

使用案例一，剔除正⾯实现

glCullFace(GL_BACK);
glFrontFace(GL_CW);

使用案例二，剔除正⾯实现
```
glCullFace(GL_FRONT);
```
一般使用方式
- 打开表面剔除开关
- 设置 GL_CCW（逆时针）为正面（还原默认情况，避免在其他地方设置过）
- 剔除背面
```
glEnable(GL_CULL_FACE);
glFrontFace(GL_CCW);
glCullFace(GL_BACK);
```

剔除背面前

剔除背面后

消除正背面为什么还有问题

image

继续旋转，上面的两个地方肯定会重合，而且他们都是正面，那这个时候，怎么渲染呢？你不知道，计算机也不知道，所以出现了下面的现象

image

继续向下研究，深度测试将会告诉你答案。

深度测试

什么是深度测试

深度就是在 OpenGL 坐标系中，像素点的 z坐标距离观察者的距离
观察者可以放在坐标系的任意位置，所以，不能简单的根据z数值的大小来判断观察者与物体的距离远近
如果观察者在z轴的正方向，z值越大则靠近观察者
如果观察者在z轴的负方向，z值越小则靠近观察者
举个🌰：当z轴方向是往屏幕里面去的，那么我们人在观察图形的位置，就是在z轴的负方向，Z值越大，越往屏幕里面去，所以就离我们越远，反之则越近。

什么是深度缓存区（DepthBuffer）

深度缓存区在哪里？也是存储在显存中；
深度缓存区原理：就是把距离观察者平面（近裁剪面）的深度值与窗口中每个像素点1对1进行关联以及存储。
一个像素点只存一个深度值，哪怕都有多个图层，也只存储一个深度值，这个跟后面颜色混合的概念是一样的

怎么使用深度测试

这个在代码侧就异常简单了

打开深度测试：glEnable(GL_DEPTH_TEST);
关闭深度测试：glDisable(GL_DEPTH_TEST);

深度测试为了解决什么问题

如何知道某个面在观察者的视野中不会出现？通过分析顶点数据的顺序
任何平面都有2个面，正面/背面，意味着一个时刻只能看到一个面
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。（丢弃之前是渲染两个面，抛弃之后只需要渲染一个面，性能提升约50%）

深度测试潜在风险：Z-fighting

现有设备很少出现
出现原因：由于深度缓存区精度的限制，对于深度相差非常小的情况下（例如在同一平面上进行2次制），OpenGL 就不能准确判断两者的深度值，会导致深度测试的结果不可预测。显示出来的前后2个画面，交错出现

Z-fighting

Z-fighting 解决方案

让深度值之间产生间隔。

（一）启用多边形偏移 Polygon Offset：glEnable(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

（二）指定偏移量
- 通过glPolygonOffset 来指定 glPolygonOffset 需要2个参数: factor , units
- 每个Fragment 的深度值都会增加下所示的偏移量: Offset = ( m * factor ) + ( r * units);
  - m : 多边形的深度的斜率的最⼤值,理解一个多边形越是与近裁剪⾯平行,m 就越接近于0.
  - r : 能产⽣于窗口坐标系的深度值中可分辨的差异最小值.r 是由具体是由具体OpenGL 平台指定的⼀个常量.
- ⼀个⼤于0的Offset 会把模型推到离你(摄像机)更远的位置,相应的⼀个小于0的Offset 会把模型拉近
- 一般⽽⾔,只需要将-1.0 和 -1 这样简单赋值给glPolygonOffset 基本可以满⾜需求.
```
void glPolygonOffset(Glfloat factor,Glfloat units);

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负值，将使得z值距离我们更更近，而正值，将使得z值距离我们更远， 对于上节课的案例，我们设置factor和units设置为-1，-1
```
（三）关闭Polygon Offset
- glDisable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL)

如何避免 Z-fighting

不要将两个物体靠的太近，避免渲染时三角形叠在一起。这种方式要求对场景中物体插⼊一个少量的偏移，那么就可能避免ZFighting现象。例如上⾯的立方体和平面问题中，将平面下移0.001f就可以解决这个问题。当然⼿动去插⼊这个⼩的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

【补充】填充方式

glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);

GL_FILL
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);

GL_LINE
- 图像中，我们可以看到一个个由三角形组成的图形
- 正面：红色
- 背面：黑色
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_POINT);

GL_POINT
- 图像中，我们可以看到一个个由点组成的图形
- 正面：红色
- 背面：黑色

【补充】正背面规则修改和指定判断模式

下面这两个问题只是对深度测试使用方式的一个了解，在实际开发中一定不要去修改的地方，如果有人修改了，你要知道是什么样的结果。

修改正/背面规则（默认逆时针为正面，手动改为顺时针为背面）

//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

修改深度测试判断模式：void glDepthFunc(GLEnum mode)

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