聊一聊隐藏面消除解决方案

隐藏面消除是什么？

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⻅的,或者哪些部分是对观察者不可⻅的.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).

如何解决？

方案一（油画算法）

算法原理：先绘制场景中离观察者较远的物体,再绘制较近的物体.

举例说明：如下图，先绘制红色部分,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。

油画算法原理图.png

在这种情况下确实解决了隐藏面消除，但是如果是下面这种情况呢，会不会产生问题？如下图所示：

油画算法难以解决图.png
答案是肯定的，三个三角形叠加的情况，油画算法将无法处理。这就是油画算法的弊端。

方案二（正/背面剔除(Face Culling)）

正/背面剔除原理：我们不去绘制那些根本看不到的面，以某种方式去丢弃这部分数据。
我们可以给平面定义正面和背面，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。
OpenGL渲染的性能即可提⾼超过50%。

如何告诉OpenGL你绘制的图形,哪个面是正面,哪个面是背面?

• 分析顶点数据的顺序

  
  顶点顺序图.png

  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
  

• 分析⽴方体中的正/背⾯
  

  立方体正/背面.png
  分析:
  (1)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
  (2)当观察者在右侧时,则右边的三角形方向为逆时针方向,即为正面,而左侧的三⻆形为顺时针,即为背面。
  (3)当观察者在左侧时,则左边的三角形方向为逆时针方向,即为正面,而右侧的三⻆形为顺时针,即为背面。
  总结:
  正⾯和背面是由三角形的顶点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。

• 正/背面剔除代码实现

  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)
  void glCullFace(GLenum mode);
  mode参数为: GL_FRONT,GL_BACK,GL_FRONT_AND_BACK ,默认GL_BACK
  
  用户指定顺序为正面
  void glFrontFace(GLenum mode);
  mode参数为: GL_CW,GL_CCW,默认值:GL_CCW
  

  例如：剔除面向观察者的所有面，有两种实现。
  第一种：
  glCullFace(GL_BACK);
glFrontFace(GL_CW);
  第二种：
  glCullFace(GL_FRONT);

方案三（Z-buffer方法(深度缓冲区Depth-buffer)）

• 了解深度

  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。
  4､深度测试
  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”。
  

• 使用深度测试
  深度缓冲区,一般由窗口管理系统GLFW创建.深度值一般由16位、24位、32位值表示. 通常是24位.位数越高,深度精确度更好。

  开启深度测试
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  在绘制场景前,清除颜色缓存区,深度缓冲区
  glClearColor(0.0f,0.0f,0.0f,1.0f);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  打开/阻断深度缓存区写入
  void glDepthMask(GLBool value);
  value : GL_TURE 开启深度缓冲区写入; GL_FALSE 关闭深度缓冲区写入
  

  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。

• 深度测试判断式

  指定深度测试判断模式
  void glDepthFunc(GLEnum mode);
  

深度测试判断式.png

以上有不正确的地方欢迎留言指出，有问题随时联系，有需要补充的也可以提出，谢谢。