OpenGL之正背面剔除解析

我们先看一个例子。先画出OpenGL提供的系统模型——甜甜圈。
绘制过程如下：

1.先定义需要用到的变量

//观察者
GLFrame             viewFrame;
//使用视景体类GLFrustum来设置透视投影
GLFrustum           viewFrustum;
//甜甜圈批次类（容器）
GLTriangleBatch     torusBatch;
//模型视图矩阵堆栈
GLMatrixStack       modelViewMatix;
//投影矩阵堆栈
GLMatrixStack       projectionMatrix;
//几何变换管线
GLGeometryTransform transformPipeline;
//着色器管理类
GLShaderManager     shaderManager;

//标记：背面剔除、深度测试
int iCull = 0;
int iDepth = 0;

2.在main函数中配置渲染环境，开启全局Loop监听屏幕重绘，窗口的改变，特殊键位响应

int main(int argc, char* argv[])
{
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);
    
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
    glutInitWindowSize(800, 600);
    glutCreateWindow("Geometry Test Program");
    glutReshapeFunc(ChangeSize);
    glutSpecialFunc(SpecialKeys);
    glutDisplayFunc(RenderScene);
    
    GLenum err = glewInit();
    if (GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    
    SetupRC();
    
    glutMainLoop();
    return 0;
}

3.在setupRC中，主要设置背景色、初始化着色器管理器、调整观察者与物体距离、创建甜甜圈

void SetupRC()
{
    glClearColor(0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f );
    
    shaderManager.InitializeStockShaders();
    //往远离屏幕的方向移动7单位，观察者看到的物体会变小
    viewFrame.MoveForward(7.0);
    
    //4.创建一个甜甜圈
    //void gltMakeTorus(GLTriangleBatch& torusBatch, GLfloat majorRadius, GLfloat minorRadius, GLint numMajor, GLint numMinor);
    //参数1：GLTriangleBatch 容器帮助类
    //参数2：外边缘半径
    //参数3：内边缘半径
    //参数4、5：主半径和从半径的细分单元数量
    gltMakeTorus(torusBatch, 1.0f, 0.3f, 52, 26);
    
    //5.点的大小(方便点填充时,肉眼观察)
    glPointSize(4.0f);
}

4.在changeSize方法中，去调整视口尺寸，使用GLFrustum类来初始化透视矩阵，并把透视矩阵加载到透视矩阵对阵中，初始化渲染管线，传入模型视图矩阵和投影矩阵。

//窗口改变
void ChangeSize(int w, int h)
{
    //1.防止h变为0
    if(h == 0)
        h = 1;

    glViewport(0, 0, w, h);
    
    //3.第一个参数是一个从顶点方向看去的视场角度（用角度值表示）
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(w)/float(h), 1.0f, 100.0f);
   
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
    
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatix, projectionMatrix);
}

5.在RenderScene中

//渲染场景
void RenderScene()
{
    //1.清除窗口和深度缓冲区，不清除会导致背景色和物体颜色不可控，残留之前的数据。
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    
    //2.把摄像机矩阵压入模型矩阵中，保存初始状态，后面绘制显示完成了要恢复，撤回
    modelViewMatix.PushMatrix(viewFrame);
    
    //3.设置绘图颜色
    GLfloat vRed[] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
    
    //4.
    //使用平面着色器
    //参数1：平面着色器
    //参数2：模型视图投影矩阵
    //参数3：颜色
   // shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_FLAT, transformPipeline.GetModelViewProjectionMatrix(), vRed);
    
    //默认光源着色器，通过光源、阴影效果可以更提现3D立体效果
    //参数1：GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT 默认光源着色器
    //参数2：模型视图矩阵
    //参数3：投影矩阵
    //参数4：基本颜色值
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, transformPipeline.GetModelViewMatrix(), transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vRed);
    
    //5.绘制
    torusBatch.Draw();

    //6.出栈 绘制完成恢复初始状态，才不影响其他视图绘制
    modelViewMatix.PopMatrix();
    
    //7.交换缓存区
    glutSwapBuffers();
}

6.在main函数中注册了SpecialKeys的回调，可以通过不同的键位调整观察者位置，从不同视角观察物体。（也可以观察者不动，调整物体的位置，达到同样效果）

void SpecialKeys(int key, int x, int y)
{
    //1.判断方向，上下左右方向键
    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);
    
    //3.提交重新刷新
    glutPostRedisplay();
}

跑起来可以看到一个甜甜圈就有了。但是发现我们转动甜甜圈的时候，有些部分显示有问题。

问题出现的原因是什么呢？
是首先因为我们用了默认光源着色器，有光的地方就会有阳面和阴面，而我们看到正常的部分就是阳面，出现问题的就是阴面了。而经过我们渲染我们看到了不该看到的面，而OpenGL不知道我们旋转的时候该显示哪一面，所以本身不需要绘制的背光面让我们看到了。但是如果用平面着色器，并不能看到阴面，显示没什么问题，但是根本原因是因为没有光源去区分阳面和阴面，所以我们肉眼看不出来阴面，并不是就不存在阴面。

解决方法

1.油画算法。

油画算法是由远及近的绘制物体，是有个前提条件的，需要层级之间分明，知道层级的远近，近的物体才能把远的物体挡住。而且油画算法在任何发生重叠的地方，虽然底下一层被挡住的部分并不需要显示，但是还是会分别绘制这两个图层，也就是对重叠的像素进行两次写操作，速度会变慢，效率低耗费多。而如果是几个三角形彼此交错的情形，没有孰远孰近，就无法处理了。所以不推荐。

2.采用正背面剔除（隐藏面消除）

这是OpenGL的一种处理3D图形的技巧。这种方法告诉OpenGL只需要绘制观察者看到的面，看不到的就不用绘制出来了。因此它很高效，在渲染的图元装配阶段就丢弃了一些三角形了，节约了片元着色器的性能。一个3D图形，你最多只能看到它的3面，而对于一个立方体来说，如果只需要绘制3面，那相当于提高了50%的效率，何乐而不为呢？
但是使用之前我们得先知道哪些面是需要绘制的，哪些可以不绘制。
OpenGL默认规定了围绕三角形顶点画线的逆时针方向绘制的三角形是正面，当然也提供了方法可以让你改为顺时针为正面，glFrontFace(GLenum mode)，其中mode有两种：GL_CW（顺时针）,GL_CCW（逆时针）,默认为GL_CCW，但是一般不建议修改，因为修改正背面设置后会影响到整个项目的环境。
使用的方法是

//开启/关闭正背面剔除功能
    if (iCull) {
        glEnable(GL_CULL_FACE);
       //设置逆时针为正面，可以不用写，默认就是
        glFrontFace(GL_CCW);
       //设置剔除面为背面，可以不用写，默认就是背面
        glCullFace(GL_BACK);
    }else
    {
        glDisable(GL_CULL_FACE);
    }

我们可以通过新建菜单栏，手动触发开启和关闭正背面剔除的功能。

//添加右击菜单栏，在ProcessMenu方法中去改变我们一开始定义的iCull变量，根据iCull的0或者非0值，执行`glutPostRedisplay();`去重新渲染。
    // Create the Menu
    glutCreateMenu(ProcessMenu);
    glutAddMenuEntry("Toggle depth test",1);
    glutAddMenuEntry("Toggle cull backface",2);
    glutAddMenuEntry("Set Fill Mode", 3);
    glutAddMenuEntry("Set Line Mode", 4);
    glutAddMenuEntry("Set Point Mode", 5);
    glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);

当我们右键菜单点击2的时候，就会提交重新渲染，触发RanderScene方法执行我们的正背面剔除。

RenderScene正背面剔除

。

run起来之后效果如下：

但是可以看到最后一帧有一块被吃了，显然还有待优化，这就涉及到深度缓冲区和深度测试了，欲知后事如何，且看下节分析OpenGL之深度测试。