[OpenGL][SharpGL]用Polygon Offset解决z-fighting和stitching问题

[OpenGL][SharpGL]用Polygon Offset解决z-fighting和stitching问题

本文参考了（http://www.zeuscmd.com/tutorials/opengl/15-PolygonOffset.php），用SharpGL重写了示例代码，您可以点击文末的链接下载。

什么是stitching和z-fighting

在OpenGL中，如果想绘制一个多边形同时绘制其边界，可是先使用多边形模式GL_FILL绘制物体，然后使用多边形模式GL_LINE和不同的颜色再次绘制这个多边形。但是由于直线和多边形的光栅化方式不同，导致位于同一位置的多边形和直线的深度值并不相同，进而导致直线有时在多边形的里面，有时在多边形的外面，这种现象就是"Stiching"。

而Z-fighting主要是指当两个面共面时，二者的深度值一样，深度缓冲就不能清楚的将它们两者分离开来，位于后面的图元上的一些像素就会被渲染到前面的图元上，最终导致图象在帧与帧之间产生微弱的闪光。

（上面这几段是从（http://blog.csdn.net/oglmatrix/article/details/1793074）复制来的。）

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

Polygon Offset效果图

解决这两个问题的方法就是使用Polygon Offset，当然你也可以使用模板测试，但Polygon Offset的速度会比模板缓存快。

下面就是stitching的情况。

下面就是z-fighting的情况。

而理想的效果是这样的：

下面是下文将介绍的Demo。

这是没有使用Polygon Offset的情况。

这是使用了Polygon Offset的情况。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

如何使用Polygon Offset

下面用上图所示的模型来演示如何使用Polygon Offset。我们要画一个立方体，立方体的黑色线框，还有3个正方形。

Offset开关

我们用一个bool变量记录是否启用Polygon Offset。这样就可以看清楚这项技术的效果了。

         /// <summary>
         /// determins whether enalbe or disable polygon offset.
         /// </summary>
         private bool offset = true;

用立方体演示stitching

我们画一个立方体和它的线条，用于演示stitching。

         void drawBox(OpenGL gl)
         {
             gl.Begin(OpenGL.GL_QUADS);
             // FRONT
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.5f);
             // BACK
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, -0.5f);
             // LEFT
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, -0.5f);
             // RIGHT
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.5f);
             // TOP
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, -0.5f);
             // BOTTOM
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.5f);
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, -0.5f);
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.5f);
             gl.End();
         }

用正方形演示z-fighting

我们在立方体的一个面上，画几个正方形，用于演示z-fighting。

         void drawPolygon(OpenGL gl)
         {
             gl.Begin(OpenGL.GL_QUADS);
             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.0f);
             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.0f);
             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.0f);
             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.0f);
             gl.End();
         }

启用Polygon Offset

Polygon Offset有多种使用方式。其中之一就是把立方体推远一点点，这样，线框和正方形就与立方体有了间隔，就不会产生干涉。（我的理解是，在执行深度测试前立方体的深度值被稍微增加了一点点，于是就跟线框区分开了。）

启用Polygon Offset有三个可选参数（GL_POLYGON_OFFSET_POINT, GL_POLYGON_OFFSET_LINE 和GL_POLYGON_OFFSET_FILL），分别对应3种光栅化模式（GL_POINT, GL_LINE 和GL_FILL）。

首先来渲染立方体，我们用GL_POLYGON_OFFSET_FILL来启用Polygon Offset。

             if (offset)
             {
                 gl.Enable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

指定偏移量

启用了Polygon Offset，那么到底要把立方体推远多少呢？这需要用glPolygonOffset来指定。glPolygonOffset需要2个参数：GLfloat factor 和GLfloat units。

每一个Fragment的深度值都会增加如下所示的偏移量：

offset = (m * factor) + (r * units)

m是多边形的深度的斜率（在光栅化阶段计算得出）中的最大值。这句话难以理解，你只需知道，一个多边形越是与近裁剪面（near clipping plan）平行，m就越接近0。

r是能产生在窗口坐标系的深度值中可分辨的差异的最小值，r是由具体实现OpenGL的平台指定的一个常量。

一个大于0的offset 会把模型推到离你（摄像机）更远一点的位置，相应地，一个小于0的offset 会把模型拉近。

如果想要非常好地使用Polygon Offset，你需要做一些数学上的研究。不过一般而言，只需把1.0和0.0这样简单的值赋给glPolygonOffset即可满足需要。

我们要把立方体推远一点，所以

                 gl.PolygonOffset(1.0f, 1.0f);
             }

然后，我们绘制立方体，并关闭Polygon Offset。

             gl.Color(1.0f, 0.0f, 0.0f);
             gl.PolygonMode(OpenGL.GL_FRONT_AND_BACK, OpenGL.GL_FILL);
             drawBox(gl);

            if (offset)
                gl.Disable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

绘制正方形

我们已经推远了立方体，所以原本在立方体平面上的绿色和黄色正方形就没有z-fighting现象了。直接绘制即可。

             gl.Color(0.0f, 1.0f, 0.0f);
             gl.PushMatrix();
             gl.Translate(-0.25f, -0.25f, 0.5f);
             gl.Scale(0.5f, 0.5f, 0.5f);
             drawPolygon(gl);
             gl.PopMatrix();

             gl.Color(1.0f, 1.0f, 0.0f);
             gl.PushMatrix();
             gl.Translate(0.25f, 0.25f, 0.5f);
             gl.Scale(0.5f, 0.5f, 0.5f);
             drawPolygon(gl);
             gl.PopMatrix();

注意，绿色和黄色正方形两者之间没有重叠的部分，所以不会有z-fighting现象。

但是蓝色正方形与绿色、黄色正方形都有重叠，所以会有z-fighting现象。为避免此现象，我们把-1.0赋予glPolygonOffset，即拉近蓝色正方形。

             if (offset)
             {
                 gl.Enable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);
                 gl.PolygonOffset(-1.0f, -1.0f);
             }

             gl.Color(0.0f, 0.0f, 1.0f);
             gl.PushMatrix();
             gl.Translate(0.0f, 0.0f, 0.5f);
             gl.Scale(0.5f, 0.5f, 0.5f);
             drawPolygon(gl);
             gl.PopMatrix();

             if (offset)
                 gl.Disable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

绘制立方体的线框

如果直接绘制立方体的线框，线框会与立方体产生stitching现象。所以，如同拉近蓝色正方形一样，我们也把线框拉近一点。不同的是，我们把GL_POLYGON_OFFSET_LINE赋予glEnable。

             if (offset)
             {
                 gl.Enable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_LINE);
                 gl.PolygonOffset(-1.0f, -1.0f);
             }

             gl.Color(0.0f, 0.0f, 0.0f);
             gl.PolygonMode(OpenGL.GL_FRONT_AND_BACK, OpenGL.GL_LINE);
             drawBox(gl);

             if (offset)
                 gl.Disable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_LINE);

启用\禁用Polygon Offset

我们用A键开控制是否启用Polygon Offset功能。

         void openGLControl_KeyDown(object sender, KeyEventArgs e)
         {
             if (e.KeyCode == Keys.A)
             {
                 offset = !offset;
             }
         }

到此，Demo讲解完毕，您可以在上文查看启用\禁用Polygon Offset的效果。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

如果你发现及时使用了glPolygonOffset()也无效，那么可能是因为你只对面启用了glPolygonOffset，而没有对线条也启用glPolygonOffset。