八、OpenGL-渲染技巧:正背面剔除

八、OpenGL-渲染技巧:正背面剔除

OpenGL小彩虹2021-08-19 23:08:12310A+A-

在介绍正背面剔除前,首先通过一个案例说明为什么我们需要正背面剔除

我们需要绘制一个甜甜圈,整体的绘制流程如下(甜甜圈是OpenGL中提供的模型,直接使用即可)

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针对上图的部分函数,作以下说明

SetupRC函数

金字塔的案例中使用的是观察者不动,物体动的方式,设置观察者到物体的距离,在甜甜圈案例中使用新的方式设置观察者到物体的距离,即观察者动,物体不动,并创建一个甜甜圈

RenderScene函数

主要是用于绘制甜甜圈,其流程如下所示

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最终,得到的甜甜圈如图所示

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目前看起来甜甜圈非常正常,当我们进行旋转时,出现以下现象

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嗯....根据我们的常识来说,一个物体在光照下是有两面的:阳面(光照覆盖的面)和阴面(背光的面),上图中黄色部分就是我们理解的阳面,黑色即为阴面,但是上图的甜甜圈 看起来特别奇怪,本该显示阳面的部分确显示了阴面。

简单概括下出现的问题:甜甜圈在旋转过程中,OpenGL不知道该显示哪些界面,导致本来是观察者不应该看到且该丢弃部分,不仅看到了,而且没有将隐藏部分丢弃。

画家算法

针对这个问题,第一个方案是画家算法,由远及近的绘制不同图层,近的图层就可以将远的图层的隐藏面覆盖掉,被覆盖部分会绘制多次,就像下图这样

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但是画家算法也仅仅只能解决有远近次序的图形,针对无法区分出谁远谁近(例如三个三角形叠加)的情况,油画算法就无法满足需求了

正背面剔除(Face Culling)

因此,需要采用正背面剔除方案,这是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。

我们是如何知道哪个面显示,哪些不显示呢?

  • 其实在OpenGL中默认规定了逆时针方向绘制的三角形是正面,当然你可以改为顺时针为正面,但是一般不建议这么操作,主要是由于这个设置不仅仅是作用于你的项目,而是作用于OpenGL全局的。我们习惯OpenGL中默认的即可。
//用于修改正面的函数
void glFrontFace(GLenum mode);

//model有两种:GL_CW(顺时针),GL_CCW(逆时针),
//OpenGL中的默认值:GL_CCW

  • OpenGL内部会通过分析顶点数据的顺序来确认正反面,这个并不需要开发者关注,只需将正背面剔除,开启/关闭即可

正背面剔除技巧主要涉及三个方法

  • 开启正背面剔除
//开启表面剔除 (默认背面剔除)
void glEnable(GL_CULL_FACE);

  • 关闭正背面剔除
//关闭表面剔除(默认背面剔除)
void glDisable(GL_CULL_FACE);

  • 设置需要剔除的面
void glCullFace(GLenum mode);

mode主要有3类

枚举值 说明
GL_FRONT 剔除正面
GL_BACK 剔除背面,是默认值
GL_FRONT_AND_BACK 剔除正背面

甜甜圈 作 正背面剔除

主要是在原代码的基础上作以下修改

  • main中注册有机菜单栏回调函数
    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);

  • 新增 ProcessMenu函数 通过mainloop监听右键菜单触发的消息,收到点击触发消息后,回调该函数对相应菜单进行的点击操作,主要逻辑如图所示

    image

  • 在RenderScene函数中新增正背面剔除的开启/关闭操作

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//开启/关闭正背面剔除功能
    if (iCull) {
        glEnable(GL_CULL_FACE);
        //以下两行是默认的,可以不写
        glFrontFace(GL_CCW);
        glCullFace(GL_BACK);
    }else
    {
        glDisable(GL_CULL_FACE);
    }

到此,甜甜圈的正背面绘制异常问题就解决了

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但是在旋转过程中,新的问题又出现了,甜甜圈出现了一块缺口。。。

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针对这个问题,将在下一篇文章中进行详细说明。

完整demo链接 04_甜甜圈

后续补充: 隐藏面消除方案 总结

  • 正背面消除 需要根据顶点数据顺序判断用户可见部分与隐藏面,隐藏面直接丢弃,不绘制,只绘制可见部分

  • 深度测试 可以一次性解决隐藏面消除问题,原理是不管有多少图层,只显示可见图层,剩余不可见的都丢弃

问题 总结 问题一:使用平面着色器绘制甜甜圈,会出现隐藏面消除吗?

  • 会出现,由于都是红色,因此没有办法区别谁是正面,谁是背面,所以导致肉眼无法察觉

问题二:为什么使用默认光源着色器会出现隐藏面消除?

  • 是因为在默光源着色器中,在光源无法照射的部分会呈现黑色,被照射部分呈现红色,可以非常直观的通过肉眼看出谁是正面,谁是反面

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