android openGL ES详解——面剔除

一、什么是面剔除？

1.面剔除

尝试在头脑中想象一下有一个3D立方体，你从任何一个方向去看它，最多可以同时看到多少个面。如果你的想象力不是过于丰富，你终极最多能数出来的面是3个。你可以从一个立方体的恣意位置和方向上去看它，但是你永久不能看到多于3个面。所以我们为何还要去绘制那三个不会显示出来的3个面呢。如果我们可以以某种方式丢弃它们，我们会进步片段着色器超过50%的性能！
   正反面剔除方案，是OpenGL中针对图形绘制的一种本领，紧张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进步50%左右。我们所说的是超过50%而不是50%，因为从一个角度只有2个或1个面可以或许被看到。这种情况下我们就可以或许进步50%以上性能了。
  这简直是个好主意，但是有个问题必要解决：我们怎样知道某个面在观察者的视野中不会出现呢？如果我们去想象任何封闭的多少平面，它们都有两面，一面面向用户，另一面背对用户。如果我们只渲染面向观察者的面会怎样？
这正是面剔除(Face culling)所要做的。OpenGL答应检查所有正面朝向（Front facing）观察者的面，并渲染它们，而丢弃所有反面朝向（Back facing）的面，如许就节约了我们很多片段着色器的命令（它们很昂贵！）。我们必须告诉OpenGL我们使用的哪个面是正面，哪个面是反面。OpenGL使用一种智慧的手段解决这个问题——分析顶点数据的连接顺序（Winding order）。
2.隐藏面消除

任何一个3D的物体，比如立方体，球，多边形多面立方体，等等，就像地球有昼夜一样，太阳光永久只能照射在地球的一个面上，在任何情况下我们都只能看到其中的一个面，那么对于看不到的反面在计算机里图形学内里如果不被渲染，那么性能会进步50%，即使渲染了也不看不到，而且性能降落，所以，完全没有必要。在绘制3D场景的时间,我们必要决定哪些部分是对观察者 可见的,或者哪些部分是对观察者不可⻅的.对于不可见的部分,应该及早丢弃.比方在⼀个不透明的墙壁后,就不应该渲染.这种对于看不到的面不去渲染的情况叫做“隐藏面消除”
二、立方体中的正反面

任何物体都有两面性,正面和反面,而观察者只能看到一个面.OpenGL可以通过分析顶点数据的顺序检测到面向观察者的面从而渲染他们,丢弃反面的渲染.如许可与节约片元着色器的性能.
1.正反面的定义

• 正面:按照逆时针顶点连接顺序的三角形面
  
• 反面:按照顺时针顶点连接顺序的三角形面
  

2.顶点连接顺序分析

• 左侧三角形顶点顺序为: 1—> 2—> 3 ; 右侧三角形的顶点顺序为: 1—> 2—> 3 - 当观察者在右侧时，则右侧的三角形方向为逆时针方向则为正面，左侧的三角形为顺时针为反面
  
• 当观察者在左侧时，则左侧的三角形方向为逆时针方向为正面，右侧的三角形为顺时针为反面
  

1. GLfloat vertices[] = {
2.     //顺时针
3.     vertices[0], // vertex 1
4.     vertices[1], // vertex 2
5.     vertices[2], // vertex 3
6.     // 逆时针
7.     vertices[0], // vertex 1
8.     vertices[2], // vertex 3
9.     vertices[1] // vertex 2
10. };

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正面和反面是由三角形的顶点定义顺序和观察者的方向共同决定的，随着观察者的角度方向改变，正面反面也会跟着改变。观察者的角度很好理解，站在不同的角度方位看一个物体，能看到的一面是正面，看不到的是反面。现实的顶点连接顺序是在光栅化阶段（Rasterization stage）计算的，所以当顶点着色器已经运行后。顶点就可以或许在观察者的观察点被看到。把所有三角的顶点都定义为逆时针是一个很好的习惯。
三、面剔除常用API

• 开启正反面剔除（默认是反面剔除）
  

1. void glEnable(GL_CULL_FACE)

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从这儿以后，所有的不是正面朝向的面都会被丢弃（尝试飞入立方体看看，内里什么面都看不见了）。目前，在渲染片段上我们节约了超过50%的性能，但记住这只对像立方体如许的封闭外形有用。当我们绘制上个教程中那个草的时间，我们必须关闭面剔除，这是因为它的前、背面都必须是可见的。

• 关闭正反面剔除（默认是反面剔除）
  

1. void glDisable(GL_CULL_FACE)

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• 用户选择剔除哪个面（正面/反面）
  

OpenGL答应我们改变剔除面的类型。要是我们剔除正面而不是反面会怎样？我们可以调用glCullFace来做这件事：

1. void glCullFace(<#GLenum mode#>)
3. glCullFace函数有三个可用的选项：
4. GL_BACK：只剔除背面（默认值）。
5. GL_FRONT：只剔除正面。
6. GL_FRONT_AND_BACK：剔除背面和正面。

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• 用户指定顺时针或者逆时针为正面
  

另外，我们还可以告诉OpenGL使用顺时针而不是逆时针来表示正面，这通过glFrontFace来设置：

1. glFrontFace(GLenum mode)
2. glFrontFace(GL_CCW); // 逆时针为正面（默认值）
3. glFrontFace(GL_CW); // 顺时针为正面

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• 我们可以做个小实行，告诉OpenGL如今顺时针代表正面：
  

1. glEnable(GL_CULL_FACE);
2. glCullFace(GL_BACK);
3. glFrontFace(GL_CW);
4. 或者
5. glEnable(GL_CULL_FACE);
6. glCullFace(GL_FRONT);
8. 上述两段代码功能相同

复制代码

具体实现代码如下

1.   //例如,剔除背⾯实现(1)
2.     glCullFace(GL_BACK);
3.     glFrontFace(GL_CW);
4.     //例如,剔除正⾯实现(2)
5.     glCullFace(GL_FRONT);
6.     //以下两行是默认的，可以不写
7.     glFrontFace(GL_CCW);
8.     glCullFace(GL_BACK);

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剔除正、反面举比方下：

1. // 剔除背面方式1 - 正常情况下使用默认的情况即可
2. glEnable(GL_CULL_FACE);
3. glCullFace(GL_BACK);
5. //剔除背面方式2
6. glEnable(GL_CULL_FACE);
7. glFrontFace(GL_CW);
8. glCullFace(GL_FRONT);
10. //剔除正面方式1
11. glEnable(GL_CULL_FACE);
12. glCullFace(GL_FRONT);
14. //剔除正面方式2
15. glEnable(GL_CULL_FACE);
16. glFrontFace(GL_CW);
17. glCullFace(GL_BACK);

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四、正反面剔除功能举例

• 未开启反面剔除功能
  

绘制甜甜圈模子，旋转甜甜圈，会出现如下情况：

• 开启正反面剔除功能
  

旋转甜甜圈又出现如下问题：

• 上面这种情况出现的原因是什么呢？
  

在甜甜圈旋转的过程中，当前后两部分重叠时，对于我们而言，必要展示的是前面的部分，背面部分是隐藏面，但是OpenGL并不能清楚的区分哪个面在前哪个面在后，因此出现了缺口。

• 那么怎样解决这种问题呢？
  

利用深度测试解决。深度测试参考文章：android openGL ES详解——深度缓冲区_opengl 深度信息-CSDN博客
五、总结

隐藏面消除总结：

• 正反面消除：必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
  

正如你所看到的那样，面剔除是OpenGL进步服从的一个强大工具，它使应用节流运算。你必须跟踪下来哪个物体可以使用面剔除，哪些不能。


 



参考文章
OpenGL_正面剔除,深度测试和Z辩论 - 简书
OpenGL--- （四）OpenGL渲染本领：正反面剔除 - 简书
Open GL 渲染本领-正反面剔除、深度测试、颜色混合 - 简书
OpenGL--- （四）OpenGL渲染本领：正反面剔除 - 简书
OpenGL---（五）OpenGL渲染本领：深度测试、多边形偏移、混合 - 简书
面剔除 - LearnOpenGL-CN

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