OpenGL 深度测试

1.简介

深度缓冲就像颜色缓冲(Color Buffer)（储存所有的片段颜色：视觉输出）一样，在每个片段中储存了信息，并且（通常）和颜色缓冲有着一样的宽度和高度。深度缓冲是由窗口系统自动创建的，它会以16、24或32位float的形式储存它的深度值。在大部分的系统中，深度缓冲的精度都是24位的。

当深度测试(Depth Testing)被启用的时候，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，片段将会被丢弃。

GLSL内建变量gl_FragCoord可以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（其中(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值。

现在大部分的GPU都提供一个叫做提前深度测试的硬件特性。提前深度测试允许深度测试在片段着色器之前运行。只要我们清楚一个片段永远不会是可见的（它在其他物体之后），我们就能提前丢弃这个片段。

如果要启用深度测试的话，我们需要用GL_DEPTH_TEST选项来启用它：

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

当它启用的时候，如果一个片段通过了深度测试的话，OpenGL会在深度缓冲中储存该片段的z值；如果没有通过深度缓冲，则会丢弃该片段。如果你启用了深度缓冲，你还应该在每个渲染迭代之前使用GL_DEPTH_BUFFER_BIT来清除深度缓冲，否则你会仍在使用上一次渲染迭代中的写入的深度值：

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

在某些情况下你会需要对所有片段都执行深度测试并丢弃相应的片段，但不希望更新深度缓冲。基本上来说，你在使用一个只读的(Read-only)深度缓冲。OpenGL允许我们禁用深度缓冲的写入，只需要设置它的深度掩码(Depth Mask)设置为GL_FALSE就可以了：

glDepthMask(GL_FALSE);

深度测试函数：允许我们来控制OpenGL什么时候该通过或丢弃一个片段，什么时候去更新深度缓冲

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

2.示例

将深度函数改为GL_ALWAYS：

glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_ALWAYS);

深度测试将会永远通过，所以最后绘制的片段将会总是会渲染在之前绘制片段的上面，即使之前绘制的片段本就应该渲染在最前面。因为我们是最后渲染地板的，它会覆盖箱子片段。

将它重新设置为GL_LESS：

#include "axbopemglwidget.h"
#include "vertices.h"
const unsigned int timeOutmSec=50;
unsigned int VAO,VBO,lightVAO;
QVector3D lightPos(1.2f, 1.0f, 2.0f);
QVector3D lightColor(1.0f, 1.0f, 1.0f);
QVector3D objectColor(1.0f, 0.5f, 0.31f);
QVector3D viewInitPos(0.0,0.0,5.0);
AXBOpemglWidget::AXBOpemglWidget(QWidget *parent) : QOpenGLWidget(parent)
{
    connect(&m_timer,SIGNAL(timeout()),this,SLOT(on_timeout()));
    m_timer.start(timeOutmSec);
    m_time.start();
    m_camera.Position=viewInitPos;
    setFocusPolicy(Qt::StrongFocus);
    //setMouseTracking(true);
}

AXBOpemglWidget::~AXBOpemglWidget()
{
    makeCurrent();
    glDeleteBuffers(1,&VBO);
    glDeleteVertexArrays(1,&VAO);
    glDeleteVertexArrays(1,&lightVAO);
    doneCurrent();
}

void AXBOpemglWidget::loadModel(string path)
{
    if(m_model !=NULL)
        delete m_model;

    m_model=NULL;
    makeCurrent();
    m_model=new Model(QOpenGLContext::currentContext()->versionFunctions<QOpenGLFunctions_3_3_Core>()
                      ,path.c_str());
    m_camera.Position=cameraPosInit(m_model->m_maxY,m_model->m_minY);
    doneCurrent();
}

void AXBOpemglWidget::initializeGL()
{
    initializeOpenGLFunctions();
    //创建VBO和VAO对象，并赋予ID
    bool success;
    m_ShaderProgram.addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Vertex,":/shaders/shaders/shapes.vert");
    m_ShaderProgram.addShaderFromSourceFile(QOpenGLShader::Fragment,":/shaders/shaders/shapes.frag");
    success=m_ShaderProgram.link();
    if(!success) qDebug()<<"ERR:"<<m_ShaderProgram.log();
    m_BoxDiffuseTex=new
        QOpenGLTexture(QImage(":/images/images/container2.png").mirrored());
    m_PlaneDiffuseTex=new
        QOpenGLTexture(QImage(":/images/images/container2_specular.png").mirrored());

    m_CubeMesh=processMesh(cubeVertices,36,m_BoxDiffuseTex->textureId());
    m_PlaneMesh=processMesh(planeVertices,6,m_PlaneDiffuseTex->textureId());
}

void AXBOpemglWidget::resizeGL(int w, int h)
{
    Q_UNUSED(w);
    Q_UNUSED(h);
}

void AXBOpemglWidget::paintGL()
{

    QMatrix4x4 model;
    QMatrix4x4 view;
    QMatrix4x4 projection;
    // float time=m_time.elapsed()/50.0;
    projection.perspective(m_camera.Zoom,(float)width()/height(),0.1,100);
    view=m_camera.GetViewMatrix();
    glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    glDepthFunc(GL_LESS);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    m_ShaderProgram.bind();
    m_ShaderProgram.setUniformValue("projection", projection);
    m_ShaderProgram.setUniformValue("view", view);
    //model.rotate(time, 1.0f, 1.0f, 0.5f);

    m_ShaderProgram.setUniformValue("viewPos",m_camera.Position);

    // light properties, note that all light colors are set at full intensity
    m_ShaderProgram.setUniformValue("light.ambient", 0.7f, 0.7f, 0.7f);
    m_ShaderProgram.setUniformValue("light.diffuse", 0.9f, 0.9f, 0.9f);
    m_ShaderProgram.setUniformValue("light.specular", 1.0f, 1.0f, 1.0f);
    // material properties
    m_ShaderProgram.setUniformValue("material.shininess", 32.0f);
    m_ShaderProgram.setUniformValue("light.direction", -0.2f, -1.0f, -0.3f);
    m_ShaderProgram.setUniformValue("model", model);
    m_CubeMesh->Draw(m_ShaderProgram);
    m_PlaneMesh->Draw(m_ShaderProgram);
    if(m_model==NULL) return;
        m_model->Draw(m_ShaderProgram);
}

void AXBOpemglWidget::wheelEvent(QWheelEvent *event)
{
    m_camera.ProcessMouseScroll(event->angleDelta().y()/120);
}

void AXBOpemglWidget::keyPressEvent(QKeyEvent *event)
{
    float deltaTime=timeOutmSec/1000.0;

    switch (event->key()) {
    case Qt::Key_W: m_camera.ProcessKeyboard(FORWARD,deltaTime);break;
    case Qt::Key_S: m_camera.ProcessKeyboard(BACKWARD,deltaTime);break;
    case Qt::Key_D: m_camera.ProcessKeyboard(RIGHT,deltaTime);break;
    case Qt::Key_A: m_camera.ProcessKeyboard(LEFT,deltaTime);break;
    case Qt::Key_Q: m_camera.ProcessKeyboard(DOWN,deltaTime);break;
    case Qt::Key_E: m_camera.ProcessKeyboard(UP,deltaTime);break;
    case Qt::Key_Space: m_camera.Position=viewInitPos;break;

    default:break;
    }
}

void AXBOpemglWidget::mouseMoveEvent(QMouseEvent *event)
{
    if(event->buttons() & Qt::RightButton){
        static QPoint lastPos(width()/2,height()/2);
        auto currentPos=event->pos();
        QPoint deltaPos=currentPos-lastPos;
        lastPos=currentPos;

        m_camera.ProcessMouseMovement(deltaPos.x(),-deltaPos.y());
    }
}

void AXBOpemglWidget::on_timeout()
{
    update();
}

QVector3D AXBOpemglWidget::cameraPosInit(float maxY, float minY)
{
    QVector3D temp={0,0,0};
    float height=maxY-minY;
    temp.setZ(1.5*height);
    if(minY>=0)
        temp.setY(height/2.0);
    viewInitPos=temp;
    return temp;
}

Mesh* AXBOpemglWidget::processMesh(float *vertices, int size, unsigned int textureId)
{
    vector<Vertex> _vertices;
    vector<unsigned int> _indices;
    vector<Texture> _textures;
    //memcpy(&_vertices[0],vertices,8*size*sizeof(float));
    for(int i=0;i<size;i++){
        Vertex vert;
        vert.Position[0]=vertices[i*5+0];
        vert.Position[1]=vertices[i*5+1];
        vert.Position[2]=vertices[i*5+2];
        vert.TexCoords[0]=vertices[i*5+3];
        vert.TexCoords[1]=vertices[i*5+4];
        _vertices.push_back(vert);
        _indices.push_back(i);
    }
    Texture tex; tex.id=textureId;
    tex.type="texture_diffuse";
    _textures.push_back(tex);
    return new Mesh(
                QOpenGLContext::currentContext()->versionFunctions<QOpenGLFunctions_3_3_Core>()
                ,_vertices,_indices,_textures);
}

3.深度值精度

深度缓冲包含了一个介于0.0和1.0之间的深度值，它将会与观察者视角所看见的场景中所有物体的z值进行比较。

深度缓冲中的值在屏幕空间中不是线性的。

可以看到，深度值很大一部分是由很小的z值所决定的，这给了近处的物体很大的深度精度。 

非常近的物体的深度值设置为接近0.0的值，而当物体非常接近远平面的时候，它的深度值会非常接近1.0。

4.深度缓冲的可视化

内建gl_FragCoord向量的z值包含了那个特定片段的深度值。如果我们将这个深度值输出为颜色，我们可以显示场景中所有片段的深度值。

void main() {
    FragColor = vec4(vec3(gl_FragCoord.z), 1.0);
}

所有东西都是白色的，看起来就想我们所有的深度值都是最大的1.0，屏幕空间中的深度值是非线性的，即它在z值很小的时候有很高的精度，而z值很大的时候有较低的精度。片段的深度值会随着距离迅速增加，所以几乎所有的顶点的深度值都是接近于1.0的。如果小心地靠近物体，颜色会渐渐变暗，z值在逐渐变小。

将屏幕空间中非线性的深度值变换至线性深度值的完整片段着色器如下：按照上面的方程

#version 330 core
out vec4 FragColor;

float near = 0.1; 
float far  = 100.0; 

float LinearizeDepth(float depth) 
{
    float z = depth * 2.0 - 1.0; // back to NDC 
    return (2.0 * near * far) / (far + near - z * (far - near));    
}

void main()
{             
    float depth = LinearizeDepth(gl_FragCoord.z) / far; // 为了演示除以 far
    FragColor = vec4(vec3(depth), 1.0);
}

颜色大部分都是黑色，因为深度值的范围是0.1的近平面到100的远平面，它离我们还是非常远的。结果就是，我们相对靠近近平面，所以会得到更低的（更暗的）深度值。 

5.防止深度冲突

一个很常见的视觉错误会在两个平面或者三角形非常紧密地平行排列在一起时会发生，深度缓冲没有足够的精度来决定两个形状哪个在前面。结果就是这两个形状不断地在切换前后顺序，这会导致很奇怪的花纹。这个现象叫做深度冲突。

箱子的底部不断地在箱子底面与地板之间切换，形成一个锯齿的花纹：

• 永远不要把多个物体摆得太靠近，以至于它们的一些三角形会重叠
• 尽可能将近平面设置远一些
• 使用更高精度的深度缓冲。大部分深度缓冲的精度都是24位的，但现在大部分的显卡都支持32位的深度缓冲，这将会极大地提高精度。