OpenGL 深度测试与精度值的那些事

OpenGL 深度测试与精度值的那些事

Fri Jul 20, 2018

1800 Words|Read in about 4 Min
Tags: OpenGL  

在 OpenGL 世界里,使用深度测试可以来防止被阻挡的面渲染到其他面的前面。

直接看一个没有使用深度测试的绘制:

未开启深度测试的情况

按照计划是绘制一个封闭的立方体,六个面都是有的,可从上面的效果来看并不是,立方体的有些面丢失了,只有后面的那个面,前面的面没了。

这就是在没有开启深度测试的情况下,本来应该被遮挡的,绘制在后面的面却绘制到了其他面之上。

要解决这种问题,就得使用深度测试了。

值得一提的是:在没有开启深度测试的情况下,假设绘制了多个不同远近的物体,那么对于最后的景象来说,哪怕是距离最远的,只要它的最后绘制的,都会显示在景象的前面。

当深度测试被启用时,OpenGL 会将一个片段的深度值与深度缓冲的内容进行对比。OpenGL 会执行一个深度测试,如果这个测试通过了的话,深度缓冲将会更新为新的深度值,如果深度测试失败了,该片段将会被丢弃。

深度缓冲是在片段着色器运行之后,在屏幕空间中运行的。屏幕空间坐标与通过 OpenGL 的 glViewport 所定义的视口密切相关,并且可以通过 GLSL 的内建变量 gl_FragCoord 从片段着色器中直接访问。

gl_FragCoord 的 x 和 y 分量代表了片段的屏幕空间坐标(其(0,0)位于左下角)。gl_FragCoord 中也包含了一个 z 分量,它包含了片段真正的深度值。z 值就是需要与深度缓冲内容所对比的那个汁。

深度缓冲默认是禁止的,通过如下代码开启它:

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

开启之后,如果一个片段通过了深度测试的话,OpenGL 就会在深度缓冲中存储该片段的 z 值;如果没有通过深度缓冲,则丢弃该片段。

如果开启了深度缓冲,就应该在每个渲染迭代之前,也就是 onDrawFrame 方法中清除深度缓冲,否则就仍在使用上一次渲染迭代时写入的深度值。

// 清除深度缓冲
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

如果在某些情况下,需要对所有的片段执行深度测试并丢弃某些片段,但是又不希望深度缓冲被更新,这时就需要使用一个只读深度缓冲

OpenGL 运行我们禁用深度缓冲的写入,只需要设置它的深度掩码为 GL_FALSE 即可。

// 设置只读的深度缓冲
glDepthMask(GL_FALSE);

深度测试函数

OpenGL 允许修改深度测试中使用的比较运算符,允许我们控制 OpenGL 什么时候该通过或丢弃一个片段,什么时候更新深度缓冲。

调用 glDepthFunc 函数设置比较运算符。

glDepthFunc(GL_LESS);
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
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_NOTEQUAL 在片段深度值不等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

默认情况下使用的是 GL_LESS,它将丢弃深度值大于当前深度缓冲值的所有片段。

对于如下代码的组合:

glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_ALWAYS);

其效果等效于没有开启深度测试。

但我们开启深度测试之后,就可以得到正常的立方体绘制了。

深度值精度

上面提到的作为比较的深度缓冲,它是位于 0.0 ~ 1.0 之间的深度值,它会与要绘制的物体的 z 值进行比较。

要绘制物体的 z 值就是在运用透视投影或者正交投影视时,介于近平面和远平面之间的任何值。

要把这个 z 值转换为 OpenGL 中的深度值,也就是介于 0.0 和 1.0 之间的值。

有公式如下:

$$\begin{equation} F_{depth} = \frac{z - near}{far - near} \end{equation}$$

对于这种转换,可以看到,当物体非常接近近平面时,深度值会接近 0.0,当物体非常接近远平面时,深度值会接近 1.0 ,这种转换是一种线性的深度缓冲转换。

而在实践中,几乎不可能是这样的线性转换。

因为当 z 值很小的时候,非常接近近平面,此时我们的观察也会更加精细,而对于较远的物体,接近远平面了,对于它的观察也会比较粗略。

这就和人眼一样,近处的物体当然看得很清了,如果看不清,走近一点就好了,而对于很远的物体,走远了和走近了看得的结果差别不大。

所以在实际将 z 值转换为深度缓冲值,用到的是非线性的转换方程。

$$\begin{equation} F_{depth} = \frac{1/z - 1/near}{1/far - 1/near} \end{equation}$$

它的效果如下:

可以看到在 z 值位于 1.0 和 2.0 之间时,对应的深度值为 0.0 到 0.5 的区间,这就占据了深度值区间范围的 50 %。而 2.0 之后的范围也才占据了 50 %。

这就给了近处的物体一个很大的深度精度。

对于深度值的区间 0.0 到 1.0 ,其实这个区间的前半部分还是和近平面非常近的,不要以为深度值 0.5 就是位于近平面和远平面之间了,其实还非常接近近平面呢。

关于深度测试,就先说到这了,如果有绘制带有深度层次的内容,可别忘了开启深度测试哦。

关于具体的代码实现,可以参考我的 Github 项目:

https://github.com/glumes/AndroidOpenGLTutorial

参考

  1. https://learnopengl-cn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/01%20Depth%20testing/

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