2 可见性与遮挡

2.1 画家算法

原理

先对远处的物体进行光栅化，后逐步对近处的物体进行光删化操作。（画近处的物体时会覆盖掉之前画的远处的一些物体）这样就可以正确地处理遮挡的问题了。

涉及到一个问题

这里涉及到一个问题：当某些物体在深度上存在互相遮挡的情况，此时没有办法定义顺序关系，这样就无法使用画家算法，因为不知道应该按照什么样的顺序画，或者不管先画什么都是错的。如下图所示：

2.2 问题解决方法：深度缓存/缓冲 z-buffer

思想：在生成最终图像的同时，也会生成一个“只存像素所看到的几何物体最浅的深度信息”的图像。然后利用深度缓存来维护遮挡信息。

  • 每一个像素内存储最浅深度值，即 z 值。

  • 需要额外的深度值缓冲区

    • 帧缓冲区（frame buffer）存储颜色值
    • 深度缓冲区（z缓冲区）存储深度

之前的讲述是摄像机永远看向z轴的负方向，因此所有的 z 都是负的。以为这 z 值越大距离反而越近，z 值越小，离摄像机的距离越远。

为了简化计算，将之前看到的 z 换一个概念。我们现在认为，摄像机到物体之间的距离，也就是深度信息，这个值永远都是正的。越小的值表示越近，值越大表示距离越远。

深度缓存算法思想：

  • 一开始将所有像素记录的深度缓存距离都初始化为无限远，即初始化为无限大的值。
  • 在光栅化的过程中，找到任意一个三角形所覆盖的任意一个像素。
  • 如果新的三角形要画在这个像素内，对于这个像素来说，如果新的 z 值比之前所存储的深度信息还要小，那么就将像素点的颜色值和深度信息值都进行更新。否则，什么都不做。

注意这里并未进行排序，只是在不断求最小值而已。复杂度为O(n)。

该算法有一个很重要的特点：和绘制顺序是没有关系的，只要正确求得最小的深度信息，最后绘制出来的图像就是对的。（前提条件，不出现在同一个像素点上出现相同的深度信息的情况。）

总结：

这是一个非常非常重要的算法，几乎广泛应用在所有的硬件中。每一个像素维护一个深度测试，就可以得到正确的遮挡算法。

之前有提到过 MSAA 的方法，对于这里面的采样点进行深度缓冲的话。意味着也不一定是对每一个像素进行 z-buffer, 也有可能是对采样点~

z-buffer 一定处理不了透明物体的深度，这个需要特殊处理。

绘制透明物体

缓冲区其实就是一张和最终输出图像分辨率一样大的图，每个像素存储了不同的数据。

1）深度缓冲区 z-buffer：每个像素记录了离相机最近的片元的深度。

2）颜色缓冲区 Frame buffer：也叫帧缓冲区，每个像素记录了当前该位置对应的颜色。

1、场景中存在半透明物体的正确渲染

​ 由于通过透明物体是可以看到被其遮挡的物体的，因此对于深度缓存中的深度值就不能直接替换更新，深度值应该是离相机最近的不透明物对应的片元的深度值，否则就会出现透明物体挡住不透明物体的渲染错误。 ​ 因此在渲染半透明物体时，需要关闭深度写入，但要保留深度测试。（深度测试的目的在于判断：是否因为遮挡而舍弃当前片元，如果该透明片元在不透明物体后，它被遮挡了，深度值比较大，当然应该被丢弃。当它在不透明物体前，它就不会被丢弃，但是又不会将当前的深度值写入，还是会以不透明物体的深度信息为准。）

​ 同时对于颜色也不可以和以前一样替换更新，而是要做透明度混合，即用帧缓存中已有的颜色和透明片元的透明色混合出一个新的颜色。

场景总存在透明物体时的渲染步骤：

  • 先渲染不透明物体，后渲染透明物体

  • 对透明物体进行排序，然后从远到进的顺序依次渲染。（因为只有这样才能正确地叠上，并混合出正确的颜色）

  • 并开启它们的深度测试，但关闭深度写入。

但此时还存在两个问题：

1）仍然无法解决透明物体相互交叠的问题。

2）透明物体内部如果自身互相交叠也会存在问题。无法判断片元的先后顺序。

2、半透明物体间相互交叠的问题

3、半透明物体的自身交叠问题及双面渲染

关闭背面剔除，将双面渲染的工作分成两个pass，渲染两次：

  • 第一个pass只渲染背面
  • 第二个pass只渲染正面

保证背面总是在正面被渲染之前渲染，从而可以保证正确的深度渲染关系