计算机图形学 | 有趣的测试和合并——片元操作

华中科技大学《计算机图形学》课程

MOOC地址：计算机图形学（HUST）

计算机图形学 | 有趣的测试和合并——片元操作

10.1 再看片元操作

片元操作

几何阶段：

光栅化阶段：

几个重要的缓冲区

• 颜色缓存（Color Buffer/Pixel Buffer）：颜色缓存存储每个像素点的颜色值。
• 模板缓存（Stencil Buffer）：模板缓存存储了一个模板，比如可以设定模板上对应点为1的像素点才会被显示出来。
• 深度缓存（Depth Buffer）：深度缓存存储每个像素点的深度信息，也就是Z坐标值。深度值规范到0.0~1.0之间。
• 累计缓存（AccumulationBuffer）：与颜色缓冲类似，同样储存像素点的颜色值。
  用途：合成多幅图像，实现在场景中“多重曝光（multipleexposures）”。
  方法：通过将图像渲染多次，对场景位置（戒所选的物体）进行微小的、渐增的改变，然后累积结果。
  效果：提高图像的真实性，产生反走样、运动模糊（多幅有微小位移的图像的合成）等效果。

什么是颜色混合？

当A（实际上是α系数，Alpha Coeefficient）不为1.0f，即颜色有一定透明度时，可以进行颜色混合（Color Blending）。

颜色混合的应用：

• 透明物体
• 处理某些特效：如运动模糊
• 处理某些特效：如泛光效果Bloom

GPU的双重缓冲（Double Buffering）：

10.2 谁遮住了我？

消隐的概念

消隐：决定场景中哪些物体的表面是可见的，哪些是被遮挡不可见的。

面剔除

正反面的定义：

如果V_view∙N>0则该多边形为后向面，后向面是不可见的。

什么时候做面剔除？

在片元着色之前进行面剔除。

深度测试

深度缓存（Depth Buffer）存储每个片元的深度信息，也就是Z坐标值。

深度缓冲器算法（Z-buffer算法）

算法思想：对每个像素点找到距离视点最近的片元。

在屏幕空间中：其实是最靠近坐标屏幕的片元，也就是z值最小的片元。这个片元的颜色值就是这个像素点的颜色值。

算法步骤：

1. 初始化：将深度缓存与帧缓存中的所有单元(x，y)初始化：
   深度缓存中各(x，y)单元置为z的最大值1DepthBuffer（x，y ）= 1
   帧缓存中各(x，y)单元颜色值置为背景色FrameBuffer（x，y ）= BackgroudColor

2. 处理场景中的每一多边形，每次一个：
   计算多边形的上各点(x，y)的深度值z若z<depthBuff(x，y)则depthBuff (x，y) = z；
   取得该多边形表面的颜色值surfColor (x，y)；
   frameBuff (x，y) = surfColor (x，y)

深度排序算法（depth sorting method）

深度排序算法（depth sorting method），又叫画家算法（painter’s algorithm）。

思想：画家在创作一幅油画时，总是先画背景，然后画较远处的场景，然后是近一点的物体，最后画最近的景物。

数据结构：

1. 多边形队列M：存储所有多边形
2. 优先级队列N：深度排序得到的结果，按优先级存放所有多边形

算法步骤：

1. 深度排序：将多边形按深度优先级进行排序，结果存入队列N中
   距视点近的优先级高，距视点远的优先级低。
2. 扫描转换：从队列N中逐个取出多边形进行绘制
   其实就是由优先级低的多边形开始，逐个对多边形进行扫描转换。

深度排序

Step 1.初始化
将场景中的所有多边形按zmax由大到小的顺序存入一个先进先出队列中，记为M；
同时初始化一空的先进先出队列N。

Step 2.只有一个多边形
若M中的多边形个数为1，则将M中的多边形直接加入到N中，同时将A从M中删除。

Step 3.有多个多边形
从当前M取出多边形B，对A与B进行判别：

情况1：若对M中任意的B均有zmax(B)<zmin(A)，则说明A是M中所有多边形中深度最深的，它与其它多边形在深度方向上无任何重叠，不会遮挡别的多边形。将A按先进先出原则加入N中。

情况2：判别多边形A和B在xoy平面上投影的包围盒有无重叠。若无重叠，则A、B在队列中的顺序无关紧要。将A按先进先出原则加入N中。

情况3：判别平面A完全位于B上A与B的重叠平面之后将A按先进先出原则加入N中。

情况四：A有部分不在这个重叠面之后：判别B上平面A与B的重叠平面是否完全位于A之前。若是，将A按先进先出原则加入N中。

当A、B排好序了，继续处理其他的多边形从当前M取出多边形C：通过判别发现B遮挡了C的一部分，因此C的优先级最低。最后优先级由低到高的顺序为C、B和A。

扫描转换

从N中按照优先级顺序取出多边形进行绘制。

OpenGL中的消隐

面剔除

OpenGL中可以开启多边形剔除。

如：

glEnable(GL_CULL_FACE);
// mode可以是GL_FRONT、GL_BACK、GL_FRONT_AND_BACK
glCullFace(mode);

深度测试

深度测试默认是关闭的，所以如果要启用深度测试的话，我们需要GL_DEPTH_TEST选项来启用它。

如：

glEnable(GL_DEPTH_TEST);