OpenGL 学习 05 - 花托(剔除/深度测试/多边形模式)

学习书籍： OpenGL 超级宝典(中文第五版) 密码:fu4w

书籍源码：OpenGL 超级宝典第五版源代码 密码:oyb4

环境搭建：OpenGL 学习 01 - Mac 搭建 OpenGL 环境

之前我们都只是画平面图形，这节我们来画一个 3D 图形，对比下平面图形和 3D 图形绘制的一些区别和注意点。

基本概念

花托

一种环状的像面包圈一样的物体，如果要我们自己去一个个去计算花托的每个点，是要花很多时间，GLTools 里面已经为我们集成好了得到花托顶点数据的函数

//得到花托的顶点数据
void gltMakeTorus(
    GLTriangleBatch& torusBatch, // 返回的三角形批次，和普通批次功能类似，是专门画三角形的批次
    GLfloat majorRadius, // 中心到外边缘的半径
    GLfloat minorRadius, // 外边缘到内边缘的距离
    GLint numMajor, // 片段数，即花托由多少个片段面组成
    GLint numMinor  // 堆叠数，即每个片段面由多少个顶点组成
); 

油画法渲染

在默认情况下，我们所渲染的点、线或三角形都会在屏幕上进行光栅化，并且会按照在组合批次时的指定顺序进行排列，这样就会出现一些问题，比如一些三角形在物体背面，我们应该是看不到的，或者前面绘制的三角形可能被后面绘制的三角形所覆盖。

对于这些问题，可能的解决方法之一是，对这些三角形进行排序，先渲染较远的三角形，再渲染较近的三角形，这种方式称为“油画法”。【油画法渲染是非常低效的，重叠部分进行了多次写操作，三角形排序开销大】

正面和背面剔除

对正面和背面三角形进行区分的原因之一就是为了进行剔除。背面剔除能极大提高性能，且能修正一些上面提出的问题。

剔除是在渲染的图元装配阶段就整体抛弃掉一些三角形，并且没有执行任何不恰当的光栅化操作。

深度测试

深度测试是另外一种高效消除隐藏表面的技术。深度测试是在绘制每个像素时，分配一个深度值z，表示该点与观察者的距离【注意，这里是深度值越大，表示离观察者越近】，当另外一个像素需要绘制在同一个位置，会先比较深度值，深度值大的说明在前面，深度值小的说明在后面。

深度测试是通过深度缓冲区实现的，深度缓存区存储了屏幕上每个像素的深度值。要使用深度测试，一般需要配置渲染模式：

/*初始化渲染模式*/
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH);

深度测试还有一个很强大的作用，就是处理重叠的独立对象，这是剔除技术无法处理的一种情况。深度测试是先渲染离观察者较近的对象，再渲染较远的对象，和“油画法”刚好相反。

多边形模式

默认情况下，多边形是作为实心图形进行绘制，我们可以通过调整多边形模式，让多边形绘制为只有点或轮廓。此外，我们也可以在多边形的两面分别应用这个多边形模式

多边形模式：

• 实体(GL_FULL)
• 轮廓(GL_LINE)
• 点(GL_POINT)

多边形模式应用面：

• 正面(GL_FRONT)
• 背面(GL_BACK)
• 双面(GL_FRONT_AND_BACK)

源码解析

创建右键菜单，便于切换各种模式

//创建菜单，绑定一个响应方法
glutCreateMenu(ProcessMenu);
//为菜单添加选项
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);
//右键弹出菜单
glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);

物体 3D 旋转，便于查看各种模式优劣

//上、下、左、右按键，3D 旋转
/*
 * RotateWorld(float fAngle, float x, float y, float z)
 * fAngle: 旋转弧度, x/y/z：以哪个坐标轴旋转
 * m3dDegToRad：角度 -> 弧度
 * viewFrame：物体世界坐标
 */
switch (key) {
    case GLUT_KEY_UP:
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
        break;
    case GLUT_KEY_DOWN:
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
        break;
    case GLUT_KEY_LEFT:
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
        break;
    case GLUT_KEY_RIGHT:
        viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
        break;
    default:
        break;
}

开启/关闭剔除

// 开启剔除
glEnable(GL_CULL_FACE);
// 关闭剔除
glDisable(GL_CULL_FACE);
// 默认我们是剔除背面，也可以剔除正面，调以下函数进行控制
glCullFace(GL_FRONT); // 控制剔除的面为正面
glCullFace(GL_BACK); // 控制剔除的面为背面
glCullFace(GL_FRONT_AND_BACK); // 控制剔除的面为双面

开启/关闭深度测试

//  开启深度测试
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
// 关闭深度测试
glDisable(GL_DEPTH_TEST);

配置多边形模式

//多边形面模式为双面实体
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);
//多边形面模式为双面轮廓
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
//多边形面模式为双面点
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_POINT);

全部源码

#include <GLTools.h>    // OpenGL toolkit
#include <GLMatrixStack.h>
#include <GLFrame.h>
#include <GLFrustum.h>
#include <GLGeometryTransform.h>
#include <math.h>
#include <glut/glut.h>

GLFrame             viewFrame;
GLFrustum           viewFrustum;
GLTriangleBatch     torusBatch;
GLMatrixStack       modelViewMatrix;
GLMatrixStack       projectionMatrix;
GLGeometryTransform transformPipeline;
GLShaderManager     shaderManager;

//是否开启正反面剔除
int iCull = 0;
//是否开始深度测试
int iDepth = 0;

//点击菜单选项
void ProcessMenu(int value) {
    switch(value) {
        case 1:
            //开关深度测试
            iDepth = !iDepth;
            break;
        case 2:
            //开关正反面剔除
            iCull = !iCull;
            break;
        case 3:
            //开关多边形面模式
            glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL);
            break;
        case 4:
            //开关多边形线模式
            glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE);
            break;
        case 5:
            //开关多边形点模式
            glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_POINT);
            break;
    }

    //触发渲染
    glutPostRedisplay();
}

//渲染画面
void RenderScene(void) {
    //清除一个或一组特定的缓冲区
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    //判断是否开启正反面剔除
    if(iCull)
        glEnable(GL_CULL_FACE);
    else
        glDisable(GL_CULL_FACE);

    //判断是否开启深度测试
    if(iDepth)
        glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    else
        glDisable(GL_DEPTH_TEST);

    //保存当前的模型视图矩阵
    modelViewMatrix.PushMatrix(viewFrame);

    //这里使用默认光源进行着色，可以看到阴影
    GLfloat vRed[] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
    shaderManager.UseStockShader(GLT_SHADER_DEFAULT_LIGHT, transformPipeline.GetModelViewMatrix(), transformPipeline.GetProjectionMatrix(), vRed);

    //画花托
    torusBatch.Draw();

    // 还原以前的模型视图矩阵
    modelViewMatrix.PopMatrix();

    //将在后台缓冲区进行渲染，然后在结束时交换到前台
    glutSwapBuffers();
}

//为程序作一次性的设置
void SetupRC() {
    //设置窗口背景颜色
    glClearColor(0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f );

    //初始化着色器管理器
    shaderManager.InitializeStockShaders();

    //设置变换管线以使用两个矩阵堆栈
    transformPipeline.SetMatrixStacks(modelViewMatrix, projectionMatrix);

    //移动物体的位置，值越大物体越远，值越小物体越近
    viewFrame.MoveForward(6.0f);

    //创建一个花托批次，参数依次是：批次，外半径，内半径，片段数，堆叠数（在计算机中圆是正多边形，顶点数越多越像真正的圆）
    gltMakeTorus(torusBatch, 1.0f, 0.3f, 52, 26);

    //设置默认点大小
    glPointSize(4.0f);
}

//特殊按键（功能键或者方向键）监听
void SpecialKeys(int key, int x, int y) {
    //上、下、左、右按键，3D 旋转
    /*
     * RotateWorld(float fAngle, float x, float y, float z)
     * fAngle: 旋转弧度, x/y/z：以哪个坐标轴旋转
     * m3dDegToRad：角度 -> 弧度
     */
    switch (key) {
        case GLUT_KEY_UP:
            viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
            break;
        case GLUT_KEY_DOWN:
            viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 1.0f, 0.0f, 0.0f);
            break;
        case GLUT_KEY_LEFT:
            viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(-5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
            break;
        case GLUT_KEY_RIGHT:
            viewFrame.RotateWorld(m3dDegToRad(5.0f), 0.0f, 1.0f, 0.0f);
            break;
        default:
            break;
    }

    //触发渲染
    glutPostRedisplay();
}

//窗口大小改变时接受新的宽度和高度，其中0,0代表窗口中视口的左下角坐标，w，h代表像素
void ChangeSize(int width, int height) {
    // 防止下面除法的除数为0导致的闪退
    if(height == 0) height = 1;

    //设置视图窗口位置
    glViewport(0, 0, width, height);

    // 创建投影矩阵，并将它载入到投影矩阵堆栈中
    viewFrustum.SetPerspective(35.0f, float(width) / float(height), 1.0f, 500.0f);
    projectionMatrix.LoadMatrix(viewFrustum.GetProjectionMatrix());
}

//程序入口
int main(int argc, char* argv[]) {
    //设置当前工作目录，针对MAC OS X
    gltSetWorkingDirectory(argv[0]);

    //初始化GLUT库
    glutInit(&argc, argv);

    /*初始化渲染模式，其中标志GLUT_DOUBLE、GLUT_RGBA、GLUT_DEPTH、GLUT_STENCIL分别指
     双缓冲窗口、RGBA颜色模式、深度测试、模板缓冲区*/
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);

    //初始化窗口大小
    glutInitWindowSize(800, 600);
    //创建窗口
    glutCreateWindow("Geometry Test Program");

    //注册回调函数
    glutReshapeFunc(ChangeSize);
    glutDisplayFunc(RenderScene);
    glutSpecialFunc(SpecialKeys);

    //创建菜单，绑定一个响应方法
    glutCreateMenu(ProcessMenu);

    //为菜单添加选项
    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);

    //右键弹出菜单
    glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);

    //确保驱动程序的初始化中没有出现任何问题。
    GLenum err = glewInit();
    if(GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "glew error:%s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }

    //初始化设置
    SetupRC();

    //进入调用循环
    glutMainLoop();
    return 0;
}

Demo 源代码在这里：github->openGLDemo->04-GeoTest

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