android openGL ES详解——面剔除

原创已于 2024-10-23 11:33:10 修改 · 717 阅读

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#android #kotlin #opengl #blend #混合半透明

于 2024-08-27 17:23:56 首次发布

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一、什么是面剔除？

1.面剔除

尝试在头脑中想象一下有一个3D立方体，你从任何一个方向去看它，最多可以同时看到多少个面。如果你的想象力不是过于丰富，你最终最多能数出来的面是3个。你可以从一个立方体的任意位置和方向上去看它，但是你永远不能看到多于3个面。所以我们为何还要去绘制那三个不会显示出来的3个面呢。如果我们可以以某种方式丢弃它们，我们会提高片段着色器超过50%的性能！

正背面剔除方案，是OpenGL中针对图形绘制的一种技巧，主要用于处理立体图形绘制时，只绘制观察者能看到的部分，看不到的部分就丢弃不绘制，这种做法可以将渲染性能提高50%左右。我们所说的是超过50%而不是50%，因为从一个角度只有2个或1个面能够被看到。这种情况下我们就能够提高50%以上性能了。

这的确是个好主意，但是有个问题需要解决：我们如何知道某个面在观察者的视野中不会出现呢？如果我们去想象任何封闭的几何平面，它们都有两面，一面面向用户，另一面背对用户。假如我们只渲染面向观察者的面会怎样？

这正是面剔除(Face culling)所要做的。OpenGL允许检查所有正面朝向（Front facing）观察者的面，并渲染它们，而丢弃所有背面朝向（Back facing）的面，这样就节约了我们很多片段着色器的命令（它们很昂贵！）。我们必须告诉OpenGL我们使用的哪个面是正面，哪个面是反面。OpenGL使用一种聪明的手段解决这个问题——分析顶点数据的连接顺序（Winding order）。

2.隐藏面消除

任何一个3D的物体，比如立方体，球，多边形多面立方体，等等，就像地球有昼夜一样，太阳光永远只能照射在地球的一个面上，在任何情况下我们都只能看到其中的一个面，那么对于看不到的背面在计算机里图形学里面如果不被渲染，那么性能会提高50%，即使渲染了也不看不到，而且性能下降，所以，完全没有必要。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见的,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.这种对于看不到的面不去渲染的情况叫做“隐藏面消除”

二、立方体中的正背面

任何物体都有两面性,正面和背面,而观察者只能看到一个面.OpenGL可以通过分析顶点数据的顺序检测到面向观察者的面从而渲染他们,丢弃背面的渲染.这样可与节约片元着色器的性能.

1.正背面的定义

正面:按照逆时针顶点连接顺序的三角形面
反面:按照顺时针顶点连接顺序的三角形面

2.顶点连接顺序分析

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 - 当观察者在右侧时，则右侧的三角形方向为逆时针方向则为正面，左侧的三角形为顺时针为背面
当观察者在左侧时，则左侧的三角形方向为逆时针方向为正面，右侧的三角形为顺时针为背面

GLfloat vertices[] = {
    //顺时针
    vertices[0], // vertex 1
    vertices[1], // vertex 2
    vertices[2], // vertex 3
    // 逆时针
    vertices[0], // vertex 1
    vertices[2], // vertex 3
    vertices[1] // vertex 2
};

正面和背面是由三角形的顶点定义顺序和观察者的方向共同决定的，随着观察者的角度方向改变，正面背面也会跟着改变。观察者的角度很好理解，站在不同的角度方位看一个物体，能看到的一面是正面，看不到的是背面。实际的顶点连接顺序是在光栅化阶段（Rasterization stage）计算的，所以当顶点着色器已经运行后。顶点就能够在观察者的观察点被看到。把所有三角的顶点都定义为逆时针是一个很好的习惯。

三、面剔除常用API

开启正背面剔除（默认是背面剔除）

void glEnable(GL_CULL_FACE)

从这儿以后，所有的不是正面朝向的面都会被丢弃（尝试飞入立方体看看，里面什么面都看不见了）。目前，在渲染片段上我们节约了超过50%的性能，但记住这只对像立方体这样的封闭形状有效。当我们绘制上个教程中那个草的时候，我们必须关闭面剔除，这是因为它的前、后面都必须是可见的。

关闭正背面剔除（默认是背面剔除）

 void glDisable(GL_CULL_FACE)

用户选择剔除哪个面（正面/背面）

OpenGL允许我们改变剔除面的类型。要是我们剔除正面而不是背面会怎样？我们可以调用glCullFace来做这件事：

void glCullFace(<#GLenum mode#>)

glCullFace函数有三个可用的选项：
GL_BACK：只剔除背面（默认值）。
GL_FRONT：只剔除正面。
GL_FRONT_AND_BACK：剔除背面和正面。

用户指定顺时针或者逆时针为正面

另外，我们还可以告诉OpenGL使用顺时针而不是逆时针来表示正面，这通过glFrontFace来设置：

glFrontFace(GLenum mode)
glFrontFace(GL_CCW); // 逆时针为正面（默认值）
glFrontFace(GL_CW); // 顺时针为正面

我们可以做个小实验，告诉OpenGL现在顺时针代表正面：

glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);
glFrontFace(GL_CW);
或者
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_FRONT);

上述两段代码功能相同

具体实现代码如下

  //例如,剔除背⾯实现(1)
    glCullFace(GL_BACK);
    glFrontFace(GL_CW);
    //例如,剔除正⾯实现(2)
    glCullFace(GL_FRONT);
    //以下两行是默认的，可以不写
    glFrontFace(GL_CCW);
    glCullFace(GL_BACK);

剔除正、背面举例如下：

// 剔除背面方式1 - 正常情况下使用默认的情况即可
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);

//剔除背面方式2
glEnable(GL_CULL_FACE);
glFrontFace(GL_CW);
glCullFace(GL_FRONT);

//剔除正面方式1
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_FRONT);

//剔除正面方式2
glEnable(GL_CULL_FACE);
glFrontFace(GL_CW);
glCullFace(GL_BACK);