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 16、24 或 32 位 float 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 x 和 y 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)**）：

1	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：

z 值和对应的 深度值 之间的关系如图所示：

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：

z 值和对应的 深度值 之间的关系如图所示：

这里的 near 和 far 值是给投影矩阵设置可视平截头体的那个 near 和 far 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：
1
2
3
4
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：

#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/。

ShenYuanLuo的博客

OpenGL学习笔记（二十一）—— Depth Testing