计算机图形学 | 有趣的测试和合并——片元操作
- 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
- 几个重要的缓冲区
- 10.2 谁遮住了我？
- 消隐的概念
- 面剔除
- 深度测试
- 深度缓冲器算法（Z-buffer算法）
- 深度排序算法（depth sorting method）
- OpenGL中的消隐
- 面剔除
- 深度测试
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Vview∙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：
-
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 -
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：
- 多边形队列M：存储所有多边形
- 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：
- 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。 - 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);
