正背面剔除的理解和解决方案：

• 在渲染过程中可能会产生以下这个问题：

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问题：为什么会产生像图片那样的问题，会出现一大坨黑色的，我明明只是渲染的红色的，黑色的是怎么来的？带着这个问题我们往下看...

• 隐藏面消除(Hidden surface elimination)

  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，或者是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)。
  图中的圆圈刚开始是红色的，当我们转动圆圈的时候，就会有一部分黑色的，这部分黑色的就是隐藏面，是观察者不可见的，这部分既然不可见，我们就不应该把它渲染出来，接下来我们就通过隐藏面消除来优化它。

对于这个问题，我们先来看有几种解决方案：

• 油画算法：
  1.先绘制场景中的离观察者较远的物体,再绘制较近的物体.
  2.例如下⾯面的图例: 先绘制红⾊色部分,再绘制黄色部分,最后再绘制灰色部分,即可解决隐藏面消除的 问题
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  3.使用油画算法的弊端,只要将场景按照物理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? 如果三个三角形是叠加的情况,油画算法将⽆法处理理.
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通过上面的分析，油画算法不能处理叠加的情况，那我们接下来就研究一下正背面剔除(Face Culling)。

• 尝试相信一个3D图形,你从任何一个⽅向去观察,最多可以看到几个⾯面? 答案是,最多3面. 从一个立方体的任意位置和方向上看,你不可能看到多于3个面. 那么思考? 我们为何要多余的去绘制那根本看不到的3个面? 如果我们能以某种方式去丢弃这部分数据,OpenGL 在渲染的性能即可提高超过50%。
• 如何知道某个面在观察者的视􏰂中不会出现? 任何平面都有2个面,正面/背面.意味着你⼀个时刻只能看到一面。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。如果告诉OpenGL 你绘制的图形,哪个面是正面,哪个面是背面，通过分析顶点数据的顺序。

正背面区分

• 正面: 按照逆时针顶点连接顺序的三角形面

• 背面: 按照顺时针顶点连接顺序的三角形面

  
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分析立方体中的正背面

• 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.
• 当观察者在右侧时,则右边的三角形方向为逆时针方向则为正面,⽽左侧的三角形为顺时针则为背面
• 当观察者在左侧时,则左边的三角形为逆时针方向判定为正面,而右侧的三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.随着观察者的角度方向的改变,正面背面也 会跟着改变

1. 开启表面剔除(默认背面剔除) void glEnable(GL_CULL_FACE);
2. 关闭表面剔除(默认背面剔除) void glDisable(GL_CULL_FACE);
3. ⽤户选择剔除那个面(正面/背面) void glCullFace(GLenum mode);
   mode参数为:GL_FRONT,GL_BACK,GL_FRONT_AND_BACK ,默认GL_BACK
4. 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
5. 例如,剔除正面实现(1) glCullFace(GL_BACK); glFrontFace(GL_CW);
6. 例如,剔除正面实现(2) glCullFace(GL_FRONT);

深度测试

• 概念：深度缓冲区(DepthBuffer)和颜色缓存区(ColorBuffer)是对应的.颜⾊缓存区存储像素的颜色信 息,⽽深度缓冲区存储像素的深度信息. 在决定是否绘制一个物体表面时, ⾸先要将表面对应的像 素的深度值与当前深度缓冲区中的值进行⽐较. 如果大于深度缓冲区中的值,则丢弃这部分.否则 利用这个像素对应的深度值和颜色值.分别更新深度缓冲区和颜色缓存区. 这个过程称为”深度测试”。

1. 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,Z值.
2. 什么是深度缓冲区?
   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.深度值(Z值)越大, 则离摄像机就越远.
3. 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􏰀重要的. 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.

• 深度值计算

  • 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。

• 深度缓冲主要是通过计算深度值来比较⼤小，在深度缓冲区中包含深度值介于0.0和1.0之间， 从观察者看到其内容与场景中的所有对象的 z 值进行了⽐较。这些视图空间中的 z 值可以在投影平头截体的近平面和远平面之间的任何值。我们因此需要一些方法来转换这些视图空间 z 值 到 [0，1] 的范围内。

• 使用深度测试

  • 深度缓冲区,一般由窗口管理系统,GLFW创建.
  • 开启深度测试 glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  • 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);
  • 清除深度缓冲区默认值为1.0,表示最大的深度值,深度值的范围为(0,1)之间. 值越小表示越靠近观察者,值越大表示 越远离观察者