OpenGL学习笔记（七）-深度测试-模板测试-混合

catog

已于 2022-04-27 10:54:39 修改

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分类专栏： OpenGL 文章标签：着色器图形渲染

于 2022-04-22 16:27:31 首次发布

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第四章高级OpenGL

4.1 深度测试

4.1.1 深度缓冲

1、深度缓冲用来防止被阻挡的面渲染到其它面的前面，由窗口系统自动创建，在每个片段中储存了它的深度值。当启用深度测试时，OpenGL会将一个片段的深度值与深度缓冲的深度值进行对比。如果通过了深度测试，则在深度缓冲中储存该片段的z值；如果没有通过，则会丢弃该片段。

2、深度缓冲创建于片段着色器运行之后，在屏幕空间中运行，与glViewport所定义的视口密切相关。屏幕空间坐标可使用GLSL内建变量gl_FragCoord从片段着色器中直接访问。gl_FragCoord的x和y分量代表了片段的屏幕空间坐标（原点位于左下角），z分量为片段深度值。

3、现在的GPU都有提前深度测试，允许深度测试在片段着色器之前运行，这就要求片段着色器不能写入片段的深度值，否则无法进行提前深度测试。

glEnable(GL_DEPTH_TEST);//启用深度测试
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);//每次渲染前清除深度缓冲

4、某些情况下需要对所有片段都执行深度测试并丢弃相应的片段，但不希望更新深度缓冲。因此需要一个只读的深度缓冲，将它的深度掩码设置为GL_FALSE就可以了。

glDepthMask(GL_FALSE);

4.1.2 深度测试函数

1、OpenGL允许修改深度测试中使用的比较运算符，控制什么时候该丢弃一个片段，什么时候去更新深度缓冲，调用glDepthFunc函数来设置比较运算符：

glDepthFunc(GL_LESS);

2、比较运算符
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

3、使用GL_ALWAYS模拟没有启用深度测试时所得到的结果，最后绘制的片段将会总是会渲染在之前绘制片段的上面。

开启深度测试
在这里插入图片描述

4.1.3 深度值精度

1、深度缓冲的深度值介于[0, 1]范围，而观察空间的z值可能是投影平截头体的近平面和远平面之间的任何值，需要一种方式将观察空间的z值变换到[0, 1]范围之间，其中的一种方式就是线性变换。
在这里插入图片描述

2、在线性方程中，1000单位远的物体和1单位远的充满细节的物体使用了相同的精度，这显然是不合理的。因此，使用与 1/z 成正比的非线性深度方程，在1.0和2.0之间的z值将会变换至1.0到0.5之间的深度值，占50%的float精度。在50.0和100.0之间的z值将会只占2%的float精度。
在这里插入图片描述

3、所以深度缓冲中的值在屏幕空间中不是线性的，深度缓冲为0.5的顶点的z值实际上非常接近近平面。这个变换方程是嵌入在投影矩阵中的，因此在透视矩阵应用之前在观察空间中是线性的。投影矩阵

4.1.4 深度缓冲可视化

1、将片段着色器内建向量gl_FragCoord的z值输出为颜色：

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

2、能注意到几乎所有东西都是白色的，看起来所有的深度缓冲都是1.0。因为屏幕空间的深度缓冲是非线性的，片段的颜色值变化也是非线性的，会随着距离增大而迅速增加。所以几乎所有的顶点的深度值都是接近于1.0的。如果我们小心地靠近物体，颜色会渐渐变暗，显示它们的z值在逐渐变小：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4.1.5 深度冲突

1、当两个平面或者三角形非常紧密地平行排列在一起时，深度缓冲没有足够的精度来决定两个形状哪个在前面，结果就是这两个形状不断地在切换前后顺序，这个现象叫做深度冲突。

2、防止深度冲突

第一个是不要把多个物体摆得太靠近，通过在两个物体之间设置一个用户无法注意到的偏移值，你可以完全避免这两个物体之间的深度冲突。
第二个技巧是尽可能将近平面设置远一些，将近平面远离观察者，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。
第三个是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。

4.2 模板测试

4.2.1 模板缓冲

1、当片段着色器处理完一个片段之后，先执行模板测试，丢弃某些片段后，被保留的片段进入深度测试。

2、模板测试根据模板缓冲进行，在模板缓冲中，每个模板值是8位的，所以每个片段有256种的模板值。将模板值设置为特定值，然后当某个片段有某个模板值的时候，就可以选择丢弃或是保留这个片段了。

3、例如，在模板缓冲中使用1填充了一个空心矩形，场景中的片段将会只在片段的模板值为1的时候会被渲染（其它的都被丢弃了）。
在这里插入图片描述
4、使用模板缓冲的大体步骤如下：

启用模板缓冲的写入；
渲染物体，更新模板缓冲的内容，将模板缓冲设为特定值；
禁用模板缓冲的写入；
在接下来渲染其它物体时，根据模板缓冲的内容丢弃特定的片段。

//启用模板测试，清除模板缓冲
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);

5、利用glStencilMask函数来启用/禁用模板写入，该函数设置了一个位掩码，与将要写入缓冲的模板值进行AND运算。当位掩码所有位都为1，即开启模板缓冲写入；当位掩码所有位为0x00，写入缓冲的所有模板值最后都会变成0，即禁用模板缓冲写入。

glStencilMask(0xFF); // 每一位写入模板缓冲时都保持原样
glStencilMask(0x00); // 每一位在写入模板缓冲时都会变成0（禁用写入）

4.2.2 模板函数

1、glStencilFunc计算模板测试应该通过还是失败，glStencilOp说明如何更新模板缓冲。

2、glStencilFunc(GLenum func, GLint ref, GLuint mask)一共包含三个参数：

func：设置模板测试函数，应用到模板缓冲的模板值和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。
ref：设置模板测试的参考值，模板缓冲的模板值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之前进行与(AND)运算。初始情况下所有位都为1。

//只要一个片段的模板值等于参考值1，片段将会通过测试并被绘制，否则会被丢弃。
glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 0xFF)

3、glStencilOp(GLenum sfail, GLenum dpfail, GLenum dppass)一共包含三个选项：

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。

默认情况下是设置为(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP)，不论任何测试的结果如何，模板缓冲都会保留它的值。如果你想写入模板缓冲的话，至少对其中一个选项设置不同的值。

4.2.3 物体轮廓

1、使用模板测试可以完成物体轮廓的绘制，轮廓的步骤如下：

在绘制物体之前，将模板函数设置为GL_ALWAYS，每当物体的片段被渲染时，将模板缓冲更新为1；
渲染物体；
禁用模板写入以及深度测试；
将每个物体放大一点点；
使用一个不同的片段着色器，输出一个单独的（边框）颜色；
再次绘制放大版本的物体，但只在它们片段的模板值不等于1时才绘制，也就是物体的边框的位置。使用模板缓冲丢弃了放大版本中属于原物体片段的部分。
再次启用模板写入和深度测试。

2、片段着色器，输出一个边框颜色

void main()
{
   
    FragColor = vec4(0.04, 0.28, 0.26, 1.0);
}

3、启用模板测试，并设置测试通过或失败时的行为。如果其中的一个测试失败了，仅仅保留当前储存在模板缓冲中的值。如果都通过了，将储存的模板值设置为参考值。

glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);

4、将模板缓冲清除为0，绘制两个箱子，对箱子中所有绘制的片段，将模板值更新为1。通过GL_ALWAYS模板测试函数，箱子的每个片段都会将模板缓冲的模板值更新为1。因为片段永远会通过模板测试，在绘制片段的地方，模板缓冲会被更新为参考值。

glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0xFF); // 所有的片段都应该更新模板缓冲
glStencilMask(0xFF); // 启用模板缓冲写入
normalShader.use();
DrawTwoContainers();

5、绘制放大的箱子，禁用模板缓冲的写入，将模板函数设置为GL_NOTEQUAL，保证只绘制箱子上模板值不为1的部分，即只绘制箱子在之前绘制的箱子之外的部分。注意：也禁用了深度测试，让放大的箱子，即边框，不会被地板所覆盖。完成之后重新启用深度缓冲。

glStencilFunc(GL_NOTEQUAL, 1, 0xFF);
glStencilMask(0x00); // 禁止模板缓冲的写入
glDisable(GL_DEPTH_TEST);
shaderSingleColor.use(); 
DrawTwoScaledUpContainers

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