今天通过一个小案例，来讲解OpenGL的正背面剔除以及深度测试的应用。

圆环的绘制

我们使用GLTools中的void gltMakeTorus(GLTriangleBatch& torusBatch, GLfloat majorRadius, GLfloat minorRadius, GLint numMajor, GLint numMinor)方法，简单实现一下圆环的绘制。

代码实现

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//  main.cpp
//  OpenGLDemo
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#include "GLShaderManager.h"
#include "GLTools.h"
#include <GLUT/GLUT.h>
#include "GLMatrixStack.h"
#include "GLFrame.h"
#include "GLFrustum.h"
#include "GLGeometryTransform.h"


//定义一个，着色管理器
GLShaderManager shaderManager;
GLFrame viewFrame;
GLFrustum viewFrustum;
GLTriangleBatch torusBatch;
GLMatrixStack modelViewMatix;
GLMatrixStack projectionMatrix;
GLGeometryTransform transformPipeline;

void changeSize(int w, int h) {
    glViewport(0, 0, w, h);
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w) / float(h), 1.0f, 100.0f);
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatix, projectionMatrix);
}

void renderScene(void) {
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
    GLfloat vRed[] = {1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
    modelViewMatix.PushMatrix(viewFrame);
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, transformPipeline.GetModelViewMatrix(), transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vRed);
    torusBatch.Draw();
    modelViewMatix.PopMatrix();
    glutSwapBuffers();
}

void specialKeys(int key, int x, int y) {
    if (key == GLUT_KEY_UP)
        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);
    
    glutPostRedisplay();
}

void setupRC() {
    glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
    shaderManager.InitializeStockShaders();
    
    viewFrame.MoveForward(7.0);
    gltMakeTorus(torusBatch, 1.0f, 0.3f, 60, 30);
    glPointSize(4.0f);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
    glutInitWindowSize(500, 500);
    glutCreateWindow("OpenGL Demo");
    glutReshapeFunc(changeSize);
    glutDisplayFunc(renderScene);
    glutSpecialFunc(specialKeys);
    
    GLenum err = glewInit();
    if (err != GLEW_OK) {
        fprintf(stderr, "glew error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    setupRC();
    glutMainLoop();
    return 0;
}

实现的效果如下图所示：

image.png

看起来是一个很漂亮的圆环，当我们缓慢的转到圆环，我们会看到下面的情况：

2020-07-17 14-45-39.2020-07-17 14_51_33.gif

No，为什么会有这些黑色的出行？为什么开始显示的好好的，一转动就出现了这样的情况？

其实在绘制3D场景的时候，我们需要决定哪些部分是对观察者可见的，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消除(Hidden surface elimination)。

消除隐藏面的解决方案

油画算法

先绘制场景中的离观察者较远的物体，在绘制较近的物体。
例如下面的图例：先绘制红色部分，在绘制黄色部门，最后绘制灰色部门，即可解决隐藏面消除的问题。

image.png

油画算法的弊端

如果场景里的物体出现了交叉叠加的情况，油画算法将无法处理。

正背面剔除（Face Culling）

当我们从任意一个方向去观察一个3D图形，最多可以看到几个面？答案是最多3个面，从一个立方体的任意位置和方向上看，不可能看到多余3个面，那么我们在绘制的过程中，为何要多余的绘制那些看不到的面呢？如果我们能以某种方式去丢弃这部分数据，OpenGL在渲染的性能上可以提高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。

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。

在OpenGL中开启正背面剔除的相关方法如下：

//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);

//用户选择剔除那个面(正面/背面)
//mode参数为: GL_CW,GL_CCW,默认值:GL_CCW
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);

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

//剔除正⾯实现例2
glCullFace(GL_FRONT);

我们开启正背面剔除功能，来看一下实现效果：

2020-07-17 16-25-01.2020-07-17 16_25_33.gif
开启了正背面剔除功能，我们已经基本的达到了预期的展示效果，但是当我们继续旋转时发现，出现了新的问题，如何解决这样的问题呢？这就引出了一个新的概念 深度测试

深度测试

那么什么是深度？
深度 其实就是该像素点在3D世界中距离摄像机的距离，也就是Z值。
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。深度值(Z值)越⼤， 则离摄像机就越远。

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􏰁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冲区中。除⾮调⽤ glDepthMask(GL_FALSE)来禁⽌写⼊。