OpenGL编程（七）3D模型的深度（z轴）检测

下图是我们要修改后的效果图：

一、深度检测

1、模型Z轴显示有问题：

上一次试验中，如果认真留意，会发现一个问题。当控制锥体在左右或上下旋转时，你会发现锥体看起来是在+-180度之间来回摆动，而不是360度的旋转。锥体的底面总是朝向观察者。这个我们可以通过修改锥体底面的颜色方便观察。如下图：

正如上面的两幅图，在不同的角度看，底面永远都是在最上面。其实这是跟我们前面代码上的画图有关。前面我们的代码是，先画锥体的侧面，再画底面。类似于我们小学画画时一样，最后画的都是把前面画的给覆盖了。

那应该怎样处理这个问题呢？

2、怎样处理Z轴显示的问题：

这个问题不需要我们操心，OpenGL已经帮我们处理好了。我们只需要添加一个语句，开启OpenGL的深度检测。

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

3、深度检测原理

OpenGL在2D平面绘制3D场景时，对每一个绘画的像素点都分配一个Z轴的值（即这个点在3D场景里距离观察者的距离）。有一个深度缓冲区，每次绘画一个像素点就会把该像素点的信息添加进深度缓冲区中。绘制新的像素点时，先判断在同一个2D位置是否已经绘画过像素点，如果是，判断新绘画的像素点的Z轴是不是比已经花了的Z轴更接近观察者，如果是则覆盖掉前面的像素点，修改深度缓冲区，否则不需要画该像素点。

注意：每帧前我们都需要清空深度缓冲区，否则会导致z轴判断错误。因为每一帧中，某个像素点的z轴的值可能会变化。

glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

4、增加深度检测后的效果

加入深度检测后：

二、剔除隐藏表面

1、剔除隐藏表面好处

首先介绍绘图的底层工作原理，有一个3D模型，首先我们先确定需要绘制的3D模型的像素点，把这些像素点发送给计算机图形处理（GPU）相关硬件；相关硬件把这个3D模型绘制到2D屏幕上会检测Z轴（我们前面说到的深度检测）。

从上面的工作步骤我们容易发现，对于3D模型背后的部分，有时我们不需要画出来，可是还是进行了Z轴检测。如果我们在前面处理，直接把背后我们看不见的部分，不用发送给GPU处理的相关硬件，将会提升渲染性能。

这种剔除技术就是“回溯剔除”，回溯剔除将剔除掉3D模型的内部。使用回溯剔除能大大提升渲染性能。

2、正面与背面

在上一节中，我们讲了怎样通过3角形绕出3D模型。我们通过三角形绕出来的面，有正面、背面。

按照OpenGL的约定，通过顺时针绕法，绕出来的面，我们看到的是正面，另外一面是背面，



如上图所示，对于底面，上面（靠近侧面的一面）是正面，底面是背面。对于侧面，按照我们的绕法，外面是正面，里面是背面。

2、开启剔除

glEnable(GL_CULL_FACE);

使用上面的语句能开启回溯剔除功能。

3、启用剔除容易引起的问题

如前面的例子，我们开启了回溯剔除的效果如下：



如上图所示，开启回溯剔除后，把 锥体的底面给剔除了。正如2中的分析，我们的锥体底面上面是正面，下面是背面，所我们看到的背面被剔除掉了。

那应该怎样处理这个问题呢？

很简单，我们在绕锥体底面的时候，我们使用逆时针绕法，这样锥体底面的在下面的是正面，靠近侧面的是背面，这样当我们转到锥体底面的角度的时候就不会被剔除掉了。

逆时针绕法

glFrontFace(GL_CCW);

顺时针绕法

glFrontFace(GL_CW);

我们在绕侧面事前开启顺时针绕法，在绕底面之前开发逆时针绕法。这样就能保证在开启回溯剔除不影响我们的视觉效果。如一下代码：

4、为什么需要回溯剔除

也许有同学会疑问“为什么还要设置开启、关闭回溯剔除呢？而不是直接设置成回溯剔除。为什么还需要我们去开启、关闭？”

因为在绘制3D图形的过程中，我们有的时候是不能看到物品的背面，可是当物品的前面是玻璃材料，具有半透明会透明效果的时候，我们是需要去显示背面，所以要根据我们的需求再自己决定是否需要开启回溯剔除。

三、总结

这次实验主要是在上一次实验的基础上进行修改。上次的实验看似完美，可是如果认真检查会发现前面提到的问题。通过这次实验，掌握了深度检测，回溯剔除的基本原理以及使用方法。

四、修改后的效果

五、完整代码

#include <windows.h>
#include <gl/glut.h>
#include<math.h>

const GLfloat PI = 3.1415f;
GLfloat xRot = 0.0f;
GLfloat yRot = 0.0f;

void rendererScene(void);
void changeWindowSize(GLsizei w, GLsizei h);
void setupRC(void);
void rotateMode(int key, int x, int y);

int main(int argc, char* argv[])
{
    //设置显示模式
    glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH);

    //设置窗口大小
    glutInitWindowSize(300, 300);

    //设置窗口在屏幕上的位置
    glutInitWindowPosition(200, 200);

    //创建窗口标题
    glutCreateWindow("三角形绘3D模型");

    //注册显示窗口时回调渲染函数
    glutDisplayFunc(rendererScene);

    glOrtho(-100.0f, 100.0f, -100.0f, 100.0f, -100.0f, 100.0f);

    //注册窗口大小改变时回调函数
    glutReshapeFunc(changeWindowSize);

    //注册点击上下左右方向按钮时回调rotateMode函数
    glutSpecialFunc(rotateMode);

    setupRC();

    //消息循环（处理操作系统等的消息，例如键盘、鼠标事件等）
    glutMainLoop();
    return 0;
}

/**
渲染函数
*/
void rendererScene(void)
{
    GLfloat x, y, angle;

    BOOL bCull = TRUE;  //是否开启回溯剔除
    BOOL bDepth = FALSE;    //是否开启深度检测

    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    if(bCull) glEnable(GL_CULL_FACE);
    else glDisable(GL_CULL_FACE);

    if(bDepth) glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    else glDisable(GL_DEPTH_TEST);

    glPushMatrix();
    glRotatef(xRot, 1.0f, 0.0f, 0.0f);
    glRotatef(yRot, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

    int ipvot = 0;
    glFrontFace(GL_CW);

    glBegin(GL_TRIANGLE_FAN);
    glVertex3f(0.0f, 0.0f, 75.0f);

    for(angle = 0.0f; angle < (2.0f * PI); angle += (PI / 8.0f))
    {
        x = 50.0f * sin(angle);
        y = 50.0f * cos(angle);

        if(ipvot % 2 == 0) glColor3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);
        else glColor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);

        ipvot++;

        glVertex3f(x, y, 0.0f);

    }
    glEnd();

    glFrontFace(GL_CCW);

    glBegin(GL_TRIANGLE_FAN);
    glVertex3f(0.0f, 0.0f, 0.0f);

    for(angle = 0; angle < (2.0f * PI); angle += (PI / 8.0f))
    {
        x = 50.0f * sin(angle);
        y = 50.0f * cos(angle);

        if(ipvot % 2 == 0) glColor3f(0.0f, 1.0f, 1.0f);
        else glColor3f(0.0f, 0.0f, 1.0f);

        ipvot++;

        glVertex3f(x, y, 0.0f);
    }

    glEnd();

    glPopMatrix();

    glutSwapBuffers();

}

/**
改变窗口大小时回调函数
*/
void changeWindowSize(GLsizei w, GLsizei h)
{
    GLfloat length = 100.0f;
    if(h == 0) h = 1;
    glViewport(0, 0, w, h);

    glMatrixMode(GL_PROJECTION);
    glLoadIdentity();

    if(w <= h) glOrtho(-length, length, -length * h / w, length * h / w, -length, length);
    else glOrtho(-length * w / h, length * w / h, -length, length, -length, length);

    glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
    glLoadIdentity();
}

/**
设置
*/
void setupRC(void)
{
    //背景颜色
    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

    glShadeModel(GL_FLAT);
}

/**
旋转
*/
void rotateMode(int key, int x, int y)
{
    if(key == GLUT_KEY_UP) xRot -= 5.0f;
    else if(key == GLUT_KEY_DOWN) xRot += 5.0f;
    else if(key == GLUT_KEY_LEFT) yRot -= 5.0f;
    else if(key == GLUT_KEY_RIGHT) yRot += 5.0f;

    if(xRot < 0) xRot = 355.0f;
    if(xRot > 360.0f) xRot = 0.0f;

    if(yRot < 0) yRot = 355.0f;
    if(yRot > 360.0f) yRot = 0.0f;

    glutPostRedisplay();

}