【OpenGL】OpenGL 入门教程(8) 深度测试，模板测试和面剔除

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本篇介绍一下深度测试，模板测试和面剔除，并给出示例代码。

OpenGL 入门教程(8) 深度测试，模板测试和面剔除

引言

在开始渲染3D模型时，我们就已经打开了深度测试，现在是时候展开讲了。

本节讲深度测试，模板测试和面剔除技术。

深度测试

深度缓冲（也称zbuffer）是一个与颜色缓冲相似的数据结构，用于存储每个像素的深度信息，帮助确定物体或片段在场景中的前后位置。

深度测试：在片段着色器执行完毕后，OpenGL会进行深度测试，比较当前片段的深度值与深度缓冲中的存储值。 测试通过的标准由glDepthFunc函数设定的比较运算符决定，默认使用GL_LESS，意味着只有当新片段更接近观察者（深度值更小）时，才会通过测试并更新深度缓冲，否则该片段将被丢弃。

深度测试函数

深度测试默认是禁用的，如果要启用深度测试需要设置GL_DEPTH_TEST选项；

当它启用的时候，如果一个片段通过了深度测试的话，OpenGL会在深度缓冲中储存该片段的z值；如果没有通过深度缓冲，则会丢弃该片段。

启用深度缓冲时，每一次渲染需要用 GL_DEPTH_BUFFER_BIT 清除深度缓冲，不然深度缓冲仍为上一帧的。

通过glDepthFunc可以选择不同的深度比较方式，如GL_LESS、GL_EQUAL等，以适应不同的渲染需求，控制哪些片段应通过深度测试。

  • GL_ALWAYS 永远通过深度测试
  • GL_NEVER 永远不通过深度测试
  • GL_LESS 在片段深度值小于缓冲的深度值时通过测试
  • GL_EQUAL 在片段深度值等于缓冲区的深度值时通过测试
  • GL_LEQUAL 在片段深度值小于等于缓冲区的深度值时通过测试
  • GL_GREATER 在片段深度值大于缓冲区的深度值时通过测试
  • GL_NOTEQUAL 在片段深度值不等于缓冲区的深度值时通过测试
  • GL_GEQUAL 在片段深度值大于等于缓冲区的深度值时通过测试
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glEnable(GL_DEPTH_TEST)
glDepthFunc(GL_LESS)
# glDepthMask(GL_FALSE)

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT)

如果不想更新深度缓冲，（即丢掉所有片段），可以设置深度掩码(Depth Mask)为GL_FALSE来禁用深度缓冲的写入。 设为GL_FALSE时，深度缓冲变为只读状态，虽然仍然执行深度测试，但不会更新缓冲内容。

深度值精度

深度缓冲包含了一个介于0.0和1.0之间的深度值，它将会与观察者视角所看见的场景中所有物体的z值进行比较。

观察空间的z值可能是投影平截头体的近平面(Near)和远平面(Far)之间的任何值。

线性深度缓冲(Linear Depth Buffer)：用线性变换把z值变换到[0, 1]范围之间： \(\begin{equation} F_{depth} = \frac{z - near}{far - near} \end{equation}\)

然而实际渲染中，近处的物体比远处的物体更重要。

因此使用一个非线性的深度方程，与 1/z 成正比。

在z值很小的时候提供非常高的精度，而在z值很大的时候提供更少的精度。

\[\begin{equation} F_{depth} = \frac{1/z - 1/near}{1/far - 1/near} \end{equation}\]

深度可以在片段着色器获取：

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void main()
{
    FragColor = vec4(vec3(gl_FragCoord.z), 1.0);
}

深度冲突

深度冲突(Z-fighting)：当几个面紧密平行排列时，深度缓冲没有足够的精度来决定两个形状哪个在前面。 因此这几个形状不断地在切换前后顺序，会产生奇怪的花纹。

深度冲突原则上不能完全解决，只能尽量减小它的影响。常用的办法如下：

  1. 不要把多个物体摆得太靠近，以至于它们的一些三角形会重叠。通过在两个物体之间设置一个用户无法注意到的偏移值，可以避免这两个物体之间的深度冲突。

  2. 尽可能将近平面设置远一些。精度在靠近近平面时是非常高的，所以如果我们将近平面远离观察者，我们将会对整个平截头体有着更大的精度。 然而，将近平面设置太远将会导致近处的物体被裁剪掉，所以这通常需要实验和微调来决定最适合你的场景的近平面距离。

  3. 使用更高精度的深度缓冲。大部分深度缓冲的精度都是24位的，但现在大部分的显卡都支持32位的深度缓冲，这将会极大地提高精度。

模板测试

模板测试（Stencil Test）位于片段着色器之后，深度测试之前。

它利用模板缓冲区（Stencil Buffer）中的数据来决定片段（像素）是否应该被渲染到屏幕上。

模板缓冲是一个附加的缓冲区，与颜色缓冲区、深度缓冲区并列，每个像素在模板缓冲中都有一个单独的模板值。

模板测试用于控制渲染过程中的像素可见性，实现各种特殊效果，如遮罩、轮廓描边、镜像效果等。

模板测试常见的应用如下：

  • 遮罩效果：先用特定值填充模板缓冲的特定区域（如一个空心矩形内部），然后配置模板测试仅保留模板值匹配的片段，从而实现只在该区域内绘制物体。
  • 轮廓描边：先绘制物体并更新模板缓冲（如增加模板值），然后再次绘制物体但这次根据模板值剔除物体本身（即仅保留边缘），达到描边效果。
  • 多重渲染效果：通过在不同渲染阶段设置不同的模板测试条件和操作，可以在场景中叠加或排除特定的视觉效果，比如镜像、阴影等。

模板测试兼具灵活性和更高的性能：

  • 灵活性：模板测试提供了非常灵活的方式来控制渲染过程，可以实现复杂的视觉效果。
  • 性能优化：通过提前剔除不可见片段，使深度测试舍弃部分片段，提升渲染效率。

模板测试函数

启用GL_STENCIL_TEST来启用模板测试。

和颜色和深度缓冲一样，需要在每次迭代之前清除模板缓冲。

和深度测试中的 glDepthMask一样，模板缓冲也有 glStencilMask 控制何时允许写入模板缓冲。 glStencilMask允许我们设置一个位掩码(Bitmask)，它会与将要写入缓冲的模板值进行与(AND)运算。 默认情况下设置的位掩码所有位都为1，不影响输出。

使用 glStencilFunc 函数定义模板测试的条件：

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glStencilFunc(GLenum func, GLint ref, GLuint mask)
  • func：设置模板测试函数(Stencil Test Function)。这个测试函数将会应用到已储存的模板值上和glStencilFunc函数的ref值上。
    • 可用的选项有：GL_NEVER、GL_LESS、GL_LEQUAL、GL_GREATER、GL_GEQUAL、GL_EQUAL、GL_NOTEQUAL和GL_ALWAYS。它们的语义和深度缓冲的函数类似。
  • ref：设置了模板测试的参考值(Reference Value)。模板缓冲的内容将会与这个值进行比较。
  • mask：设置一个掩码，它将会与参考值和储存的模板值在测试比较它们之前进行与(AND)运算。初始情况下所有位都为1。

使用 glStencilOp 函数更新缓冲。 即在模板测试通过、失败或深度测试失败时，模板缓冲中的值应该如何更新（保持、置零、增加、减少、替换、反转等）。

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glStencilOp(GLenum sfail, GLenum dpfail, GLenum dppass)
  • sfail：模板测试失败时采取的行为。
  • dpfail：模板测试通过，但深度测试失败时采取的行为。
  • dppass：模板测试和深度测试都通过时采取的行为。

每个选项都可以选用以下的其中一种行为：

  • GL_KEEP 保持当前储存的模板值
  • GL_ZERO 将模板值设置为0
  • GL_REPLACE 将模板值设置为glStencilFunc函数设置的ref值
  • GL_INCR 如果模板值小于最大值则将模板值加1
  • GL_INCR_WRAP 与GL_INCR一样，但如果模板值超过了最大值则归零
  • GL_DECR 如果模板值大于最小值则将模板值减1
  • GL_DECR_WRAP 与GL_DECR一样，但如果模板值小于0则将其设置为最大值
  • GL_INVERT 按位翻转当前的模板缓冲值

默认情况下glStencilOp是设置为(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP)的，所以不论任何测试的结果是如何，模板缓冲都会保留它的值。

默认的行为不会更新模板缓冲，所以写入模板缓需要至少对其中一个选项设置不同的值。

面剔除

在渲染中，理论上我们只需要渲染要看到的物体的正面，而不需要看不到的物体背面。

面剔除的关键在于确定一个三角形的“正面”（Front Face）和“背面”（Back Face），可以由环绕顺序（Winding Order）判断。

这通常是基于三角形顶点在空间中的排列顺序（顺时针CW或逆时针CCW）来判断。

OpenGL默认认为逆时针排列的三角形为正面。

启用面剔除，只需要启用OpenGL的GL_CULL_FACE选项；

OpenGL允许改变需要剔除的面的类型。可以调用glCullFace来定义剔除的面的方向；

同时也可以调用glFrontFace修改正面的定义。

OpenGL 顺时针顺序代表正向面的示例：

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glEnable(GL_CULL_FACE)
glCullFace(GL_BACK)
glFrontFace(GL_CW)

运行渲染程序，只有背向面被渲染。

至此，读者已经明白模板测试，深度测试和面剔除的相关知识了。