OpenGL学习笔记(二十一)—— Depth Testing

深度测试

深度缓冲

深度缓冲 或 z 缓冲(z-buffer):就像颜色缓冲(Color Buffer)(储存所有的片段颜色:视觉输出)一样,在每个片段中储存了信息,并且(通常)和颜色缓冲有着一样的宽度和高度。深度缓冲是由窗口系统自动创建的,它会以 162432float 的形式储存它的深度值。在大部分的系统中,深度缓冲的精度都是24位的。

当深度测试(Depth Testing)被启用的时候,OpenGL 会执行一个深度测试,如果这个测试通过了的话,就会绘制该片段并将深度缓冲将会更新为新的深度值(前提是深度缓冲允许写入)。如果深度测试失败了,片段将会被丢弃不更新缓冲

屏幕空间坐标可以直接使用 GLSL 内建变量 gl_FragCoord 从片段着色器中直接访问;其 xy 分量代表了片段的屏幕空间坐标(其中 (0, 0) 位于左下角);z 分量,代表了片段真正的深度值(就是需要与深度缓冲内容所对比的那个值)。

注意:如果启用了深度缓冲,必需在每个渲染迭代之前使用 GL_DEPTH_BUFFER_BIT 来清除深度缓冲,否则会仍在使用上一次渲染迭代中的写入的深度值:glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

深度测试函数

可以调用 glDepthFunc 函数来设置比较运算符(或者说深度函数(Depth Function)):

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glDepthFunc(GLenum func);

其中参数 func 可以使用的 比较运算符

函数 描述
GL_ALWAYS 永远通过深度测试
GL_NEVER 永远不通过深度测试
GL_LESS 在片段深度值小于( )缓冲的深度值时通过测试(默认情况)
GL_EQUAL 在片段深度值等于( )缓冲区的深度值时通过测试
GL_LEQUAL 在片段深度值小于等于( )缓冲区的深度值时通过测试
GL_GREATER 在片段深度值大于( )缓冲区的深度值时通过测试
GL_GEQUAL 在片段深度值大于等于( )缓冲区的深度值时通过测试
GL_NOTEQUAL 在片段深度值不等于( )缓冲区的深度值时通过测试

深度值精度

深度缓冲包含了一个介于 [0.0, 1.0] 之间的深度值,与观察空间中的物体的 z 值进行比较;其值可能是投影平截头体的近平面(Near)和远平面(Far)之间的任何值;

  • 一种方式是通过以下 线性方程很少用)将 z 值变换到了 [0.0, 1.0] 之间的深度值:

    图片来源于:learnopengl.com

    z 值和对应的 深度值 之间的关系如图所示:

    图片来源于:learnopengl.com

    由图可以看出:物体越接近 近平面 的时候,深度值越接近 0.0;而当物体越接近 远平面 的时候,深度值越接近 1.0

  • 另一种方式是通过以下 非线性方程常用)将 z 值变换到了 [0.0, 1.0] 之间的深度值:

    图片来源于:learnopengl.com

    z 值和对应的 深度值 之间的关系如图所示:

    图片来源于:learnopengl.com

这里的 nearfar 值是给投影矩阵设置可视平截头体的那个 nearfar 值。

深度缓冲的可视化

  • 将(非线性)深度值输出为颜色,显示场景中所有片段的深度值:

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    void main()
    {
    FragColor = vec4(vec3(gl_FragCoord.z), 1.0);
    }
  • 将(非线性)深度值输出为颜色,显示场景中所有片段的深度值:

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    #version 330 core
    out vec4 FragColor;
    float near = 0.1;
    float far = 100.0;
    float LinearizeDepth(float depth)
    {
    float z = depth * 2.0 - 1.0; // 将深度值变换为 NDC
    return (2.0 * near * far) / (far + near - z * (far - near));
    }
    void main()
    {
    float depth = LinearizeDepth(gl_FragCoord.z) / far; // 为了演示除以 far
    FragColor = vec4(vec3(depth), 1.0);
    }

深度冲突

深度冲突(Z-fighting):在两个平面或者三角形非常紧密地平行排列在一起时,由于深度缓冲没有足够的精度来决定两个形状哪个在前面,导致这两个形状不断地在切换前后顺序,所引起的奇怪的花纹现象。(当物体在远处时效果会更明显(因为深度缓冲在 z 值比较大的时候有着更小的精度))

防止深度冲突

深度冲突不能够被完全避免,但一般会有一些技巧有助于在场景中减轻或者完全避免深度冲突;例如:

  • 永远不要把多个物体摆得太靠近,以至于它们的一些三角形会重叠。

    通过在两个物体之间设置一个用户无法注意到的偏移值,可以完全避免这两个物体之间的深度冲突。

  • 尽可能将 近平面 设置远一些。

    因为精度在靠近近平面时是非常高的,所以如果将近平面远离观察者,将会对整个平截头体有着更大的精度;但是不能将近平面设置太远,否则将会导致近处的物体被裁剪掉。

  • 使用更高精度的深度缓冲。

    大部分深度缓冲的精度都是 24 位的,但现在大部分的显卡都支持 32 位的深度缓冲,这将会极大地提高精度;因此,牺牲掉一些性能,就能获得更高精度的深度测试,减少深度冲突。

Demo


参考

教程来源:https://learnopengl.com/

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