四、OpenGL 渲染技巧：正背面剔除

在介绍正背面剔除前，首先通过一个案例说明为什么我们需要正背面剔除

我们需要绘制一个甜甜圈，整体的绘制流程如下（甜甜圈是OpenGL中提供的模型，直接使用即可）

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SetupRC函数

在金字塔的案例中使用的是观察者不动，物体动的方式，设置观察者到物体的距离，在甜甜圈案例中使用新的方式设置观察者到物体的距离，即观察者动，物体不动，并创建一个甜甜圈

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最终，得到的甜甜圈如图所示

截屏2020-07-12 下午11.04.57.png

但我们旋转的时候就出现

截屏2020-07-12 下午11.06.40.png

为啥会出现这种原因呢？

根据我们的常识来说，一个物体在光照下是有两面的：阳面（光照覆盖的面）和阴面（背光的面），上图中红色部分就是我们理解的阳面，黑色即为阴面，但是上图的甜甜圈
看起来特别奇怪，本该显示阳面的部分确显示了阴面。

简单概括下出现的问题：甜甜圈在旋转过程中，OpenGL不知道该显示哪些界面，导致本来是观察者不应该看到且该丢弃部分，不仅看到了，而且没有将隐藏部分丢弃，也就是我们看到了不应该看到的部分

怎么解决这种情况呢

1.油画算法

• 先绘制场景中的离观察者较远的物体,再绘制较近的物体.
  例如下⾯的图例: 先绘制红⾊部分,再绘制⻩⾊部分,最后再绘制灰⾊部分,即可解决隐藏⾯消除的问题

  
  
  截屏2020-07-12 下午11.12.22.png

但是画家算法也仅仅只能解决有远近次序的图形，针对无法区分出谁远谁近（例如三个三角形叠加）的情况，油画算法就无法满足需求了，所以就出现新的解决方案了

截屏2020-07-12 下午11.13.50.png

2.正背面剔除（Face Culling）

因此，需要采用正背面剔除方案，这是OpenGL中针对图形绘制的一种技巧，主要用于处理立体图形绘制时，只绘制观察者能看到的部分，看不到的部分就丢弃不绘制，这种做法可以将渲染性能提高50%左右。

那我们如何知道哪个面显示，哪些不显示呢？

• 正⾯: 按照逆时针顶点连接顺序的三⻆形⾯
• 背⾯: 按照顺时针顶点连接顺序的三⻆形⾯
  当然这个绘制顺序是可以改的，但是一般不建议这么操作，主要是由于这个设置不仅仅是作用于你的项目，而是作用于OpenGL全局的。我们习惯OpenGL中默认的即可。

//用于修改正面的函数
void glFrontFace(GLenum mode);

//model有两种：GL_CW（顺时针）,GL_CCW（逆时针）,
//OpenGL中的默认值:GL_CCW

正背面剔除技巧主要涉及三个方法

• 开启正背面剔除

//开启表面剔除 （默认背面剔除）
void glEnable(GL_CULL_FACE);

• 关闭正背面剔除

//关闭表面剔除（默认背面剔除）
void glDisable(GL_CULL_FACE);

• 设置需要剔除的面

void glCullFace(GLenum mode);

枚举值	说明
GL_FRONT	剔除正面
GL_BACK	剔除背面，是默认值
GL_FRONT_AND_BACK	剔除正背面

那么回到我们的甜甜圈案例，哪该怎么去做正背面剔除呢

• main中注册特殊键位和菜单栏方法

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);
    //申请一个颜色缓存区、深度缓存区、双缓存区、模板缓存区
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH | GLUT_STENCIL);
    //设置window 的尺寸
    glutInitWindowSize(800, 600);
    //创建window的名称
    glutCreateWindow("GL_POINTS");
    //注册回调函数（改变尺寸）
    glutReshapeFunc(ChangeSize);
    //特殊键位函数（上下左右）
    glutSpecialFunc(SpecialKeys);
    //显示函数
    glutDisplayFunc(RenderScene);
    
    
    //添加右击菜单栏
    // Create the Menu
    glutCreateMenu(ProcessMenu);
    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);
    glutAttachMenu(GLUT_RIGHT_BUTTON);
    
    //判断一下是否能初始化glew库，确保项目能正常使用OpenGL 框架
    GLenum err = glewInit();
    if (GLEW_OK != err) {
        fprintf(stderr, "GLEW Error: %s\n", glewGetErrorString(err));
        return 1;
    }
    
    //绘制
    SetupRC();
    
    //runloop运行循环
    glutMainLoop();
    return 0;
}

• 新增 ProcessMenu函数,用于监听右键菜单触发的消息，收到点击触发消息后，回调该函数对相应菜单进行的点击操作，主要逻辑如图所示
  

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• 在RenderScene函数中新增正背面剔除的开启/关闭操作
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//开启/关闭正背面剔除功能
    if (iCull) {
        glEnable(GL_CULL_FACE);
        //以下两行是默认的，可以不写
        glFrontFace(GL_CCW);
        glCullFace(GL_BACK);
    }else
    {
        glDisable(GL_CULL_FACE);
    }

到此，甜甜圈的正背面绘制异常问题就解决了

截屏2020-07-12 下午11.31.05.png

但是此时又出现新的问题了，甜甜圈出现了一块缺，哈哈，是不是有点懵

截屏2020-07-12 下午11.05.03.png

针对这个问题，将在下一篇文章中进行详细说明。

完整demo链接 甜甜圈案例

总结

隐藏面消除方案 总结

• 正背面消除
  需要根据顶点数据顺序判断用户可见部分与隐藏面，隐藏面直接丢弃，不绘制，只绘制可见部分

• 深度测试
  可以一次性解决隐藏面消除问题，原理是不管有多少图层，只显示可见图层，剩余不可见的都丢弃

问题 总结

问题一：使用平面着色器绘制甜甜圈，会出现隐藏面消除吗？

• 会出现，由于都是红色，因此没有办法区别谁是正面，谁是背面，所以导致肉眼无法察觉
  问题二：为什么使用默认光源着色器会出现隐藏面消除？

• 是因为在默光源着色器中，在光源无法照射的部分会呈现黑色，被照射部分呈现红色，可以非常直观的通过肉眼看出谁是正面，谁是反面