WebGL 正确处理对象前后的关系——隐藏面消除（深度测试）/ 深度冲突

山楂树の

已于 2023-09-14 23:42:01 修改

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分类专栏： WebGL 文章标签： webgl 计算机视觉

于 2023-09-14 23:39:18 首次发布

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本文介绍了WebGL中对象前后关系的处理规则，以及如何通过隐藏面消除功能解决图形绘制中的遮挡问题。文章详细解释了深度测试、开启隐藏面消除步骤、深度冲突的成因以及多边形偏移技术的应用。

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前言

验证WebGL处理对象前后关系的规则——后绘制的图形覆盖先绘制的图形

gl.clear（gl.DEPTH_BUFFER_BIT）

隐藏消除面示例代码（DepthBuffer）

开启多边形偏移功能，同样需要遵循以下两步：

1.启用多边形偏移。

2.在绘制之前指定用来计算偏移量的参数。

gl.polygonOffset（）函数规范编辑

深度冲突示例代码（Zfighting）

示例效果

前言

在真实世界中，如果你将两个盒子一前一后放在桌上，如下图所示，前面的盒子会挡住部分后面的盒子。

验证WebGL处理对象前后关系的规则——后绘制的图形覆盖先绘制的图形

看一下WebGL模型视图投影矩阵_山楂树の的博客-优快云博客示例程序PerspectiveView_mvp的效果，如下图所示。绿色三角形的一部分被黄色和蓝色三角形挡住了。看上去似乎是WebGL专为三维图形学设计，能够自动分析出三维对象的远近，并正确处理遮挡关系。

遗憾的是，事实没有想象得那么美好。在默认情况下，WebGL为了加速绘图操作，是按照顶点在缓冲区中的顺序来处理它们的。之前的程序都是先定义远的物体，后定义近的物体，从而产生正确的效果。

比如，在PerspectiveView_mvp中，我们按照如下顺序定义了三角形的顶点和颜色数据，注意加粗显示的Z坐标。

WebGL按照顶点在缓冲区中的顺序（第1个是最远的绿色三角形，第2是中间的黄色三角形，第3是最近的蓝色三角形）来进行绘制。后绘制的图形将覆盖已经绘制好的图形，这样就恰好产生了近处的三角形挡住远处的三角形的效果，如上图所示。

为了验证这一点，我们将缓冲区中三角形顶点数据的顺序调整一下，把近处的蓝色三角形定义在前面，然后是中间的黄色三角形，最后是远处的绿色三角形，如下所示：

运行程序，你就会发现本该出现在最远处的绿色三角形，不自然地挡住了近处的黄色和蓝色三角形，如下图所示。

WebGL在默认情况下会按照缓冲区中的顺序绘制图形，而且后绘制的图形覆盖先绘制的图形，因为这样做很高效。如果场景中的对象不发生运动，观察者的状态也是唯一的，那么这种做法没有问题。但是如果，比如说你希望不断移动视点，从不同的角度看物体，那么你不可能事先决定对象出现的顺序。

隐藏面消除（深度测试）

为了解决这个问题，WebGL提供了隐藏面消除（hidden surface removal）功能。这个功能会帮助我们消除那些被遮挡的表面（隐藏面），你可以放心地绘制场景而不必顾及各物体在缓冲区中的顺序，因为那些远处的物体会自动被近处的物体挡住，不会被绘制出来。这个功能已经内嵌在WebGL中了，你只需要简单地开启这个功能就可以了。

开启隐藏面消除功能，需要遵循以下两步：

1.开启隐藏面消除功能。

gl.enable（gl.DEPTH_TEST）

所谓深度检测（DEPTH_TEST）听上去可能有些奇怪，实际上这么命名是因为该机制是通过检测物体（的每个像素的）的深度来决定是否将其画出来的。

第1步所用的gl.enable（）函数实际上可以开启WebGL中的多种功能，其规范如下：

gl.enable（）函数规范

2.在绘制之前，清除深度缓冲区。

gl.clear（gl.DEPTH_BUFFER_BIT）

第2步，使用gl.clear（）方法清除深度缓冲区（depth buffer）。深度缓冲区是一个中间对象，其作用就是帮助WebGL进行隐藏面消除。WebGL在颜色缓冲区中绘制几何图形，绘制完成后将颜色缓冲区显示到＜canvas＞上。如果要将隐藏面消除，那就必须知道每个几何图形的深度信息，而深度缓冲区就是用来存储深度信息的。由于深度方向通常是Z轴方向，所以有时候我们也称它为Z缓冲区。

深度缓冲区与隐藏面消除

在绘制任意一帧之前，都必须清除深度缓冲区，以消除绘制上一帧时在其中留下的痕迹。如果不这样做，就会出现错误的结果。我们调用gl.clear（）函数，并传入参数gl.DEPTH_BUFFER_BIT清除深度缓冲区：

gl.clear（gl.DEPTH_BUFFER_BIT）

当然，还需要清除颜色缓冲区。用按位或符号（|）连接gl.DEPTH_BUFFER_BIT和gl.COLOR_BUFFER_BIT，并作为参数传入gl.clear（）中：

类似地，同时清除任意两个缓冲区时，都可以使用按位或符号。

与gl.enable（）函数对应的还有gl.disable（）函数，其规范如下所示，前者启用某个功能，后者则禁用之。

gl.disable（）函数规范

隐藏消除面示例代码（DepthBuffer）

示例程序名为DepthBuffer.js，它在WebGL模型视图投影矩阵_山楂树の的博客-优快云博客PerspectiveView_mvp.js的基础上，加入了隐藏面消除的相关代码。注意，缓冲区中顶点的顺序没有改变，程序依然按照近处（蓝色），中间（黄色），远处（绿色）的顺序绘制三角形（但颠倒了绘制顺序——蓝色 -> 黄色 -> 绿色）。程序运行的效果和PerspectiveView_mvp完全一样，程序的代码如下所示。

示例效果

运行DepthBuffer，可见程序成功地消除了隐藏面，位于近处的三角形挡住了远处的三角形。该程序证明了不管视点位于何处，隐藏面都能够被消除。在任何三维场景中，你都应该开启隐藏面消除，并在适当的时刻清空深度缓冲区（通常是在绘制每一帧之前）。

应当注意的是，隐藏面消除的前提是正确设置可视空间，否则就可能产生错误的结果。不管是盒状的正射投影空间，还是金字塔状的透视投影空间，你必须使用一个。

深度冲突

隐藏面消除是WebGL的一项复杂而又强大的特性，在绝大多数情况下，它都能很好地完成任务。然而，当几何图形或物体的两个表面极为接近时，就会出现新的问题，使得表面看上去斑斑驳驳的，如下图。这种现象被称为深度冲突（Z fighting）。现在，我们来画两个Z值完全一样的三角形。

深度冲突效果

产生深度冲突的原因

之所以会产生深度冲突，是因为两个表面过于接近，深度缓冲区有限的精度已经不能区分哪个在前，哪个在后了。严格地说，如果创建三维模型阶段就对顶点的深度值加以注意，是能够避免深度冲突的。但是，当场景中有多个运动着的物体时，实现这一点几乎是不可能的。

WebGL提供一种被称为多边形偏移（polygon offset）的机制来解决这个问题。该机制将自动在Z值加上一个偏移量，偏移量的值由物体表面相对于观察者视线的角度来确定。启用该机制只需要两行代码：

开启多边形偏移功能，同样需要遵循以下两步：

1.启用多边形偏移。

gl.enable(gl.POLYGON_OFFSET_FILL)

2.在绘制之前指定用来计算偏移量的参数。

gl.polygonOffset(1.0, 1.0)

绘制两个冲突物体的中间时刻调用

第1步调用了gl.enable（）启用多边形偏移，注意启用隐藏面消除用到的也是该函数，只不过两者传入了不同的参数。第2步中的函数gl.polygonOffset（）的规范如下。

gl.polygonOffset（）函数规范

来看一下示例程序Zfighting，该程序使用了多边形偏移来避免深度冲突。

深度冲突示例代码（Zfighting）

可见，所有顶点的Z坐标值都一样，为-0.5（第80行），但是却没有出现深度冲突现象。

在代码的其余部分，我们开启了多边形偏移机制（第70行），然后绘制了一个绿色的三角形（第72行）和一个黄色的三角形（第74行）。两个三角形的数据存储在同一个缓冲区中，所以需要格外注意gl.drawArrays（）的第2个和第3个参数。第2个参数表示开始绘制的顶点的编号，而第3个参数表示该次操作绘制的顶点个数。所以，我们先画了一个绿色三角形，然后通过gl.polygonOffset（）设置了多边形偏移参数，使之后的绘制受到多边形偏移机制影响，再画了一个黄色三角形。运行程序，你将看到两个三角形没有发生深度冲突，如下图）所示。注释掉第73行再次运行程序，深度冲突就会再次出现，如上图：深度冲突效果。