OpenGL中蒙板缓冲区的妙用

悠悠 2022-08-06 15:10 148阅读 0赞

技术基础

Stenciling 蒙板  
1、类似于深度缓冲的逐像素测试  
2、与蒙板缓冲区内的值比较，测试失败的片断将被拒绝  
3、当以下情况时，特定的操作将被执行：  
　-蒙板测试失败  
　-深度测试失败  
　-深度测试通过  
4、提供对象素更新非常细致的控制

OpenGL中相关API  
glEnabe/glDisable(GL\_STENCIL\_TEST);  
glStencilFunc(function,reference,mask);  
glStencilOp(stencil\_fail,depth\_fail,depth\_pass);  
glStencilMask(mask);  
glClear(...|GL\_STENCIL\_BUFFER\_BIT);

对蒙板缓冲区的要求  
如果使用蒙板，要求有足够多的位  
实现应该支持从0到32位蒙板  
8，4，1位是通常可用的  
对于GLUT程序易用：  
glutInitDisplayMode(GLUT\_DOUBLE|GLUT\_RGB|GLUT\_DEPTH|GLUT\_STENCIL);  
glutCreateWindow("stencil example");

蒙板测试  
测试就是拿参考值与象素的蒙板缓冲值比较  
比较函数与深度测试一样：  
NERVER, ALWAYS  
LESS,LEQUAL  
GREATER,GEQUAL  
EQUAL,NOTEQUAL

位掩码控制比较过程  
((ref & mask) op (svalue & mask))

蒙板操作  
对蒙板的影响  
\-蒙板测试失败  
\-深度测试失败  
\-深度测试通过  
可能的操作  
\-加，减（saturates）  
\-加，减（wrap, DX6 option）  
\-保持，替换  
\-清0，取反  
蒙板缓冲值就是这样受控制的

蒙板缓冲区写掩码  
位掩码控制蒙板值怎样回写进蒙板缓冲区  
也用于清除  
蒙板比较与写掩码允许把蒙板值当作多个子区域。

DX6 D3D API  
与OpenGL完全相同的机能  
SetRenderState控制更新：  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILENABLE  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILFUNC  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILREF  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILMASK  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILWRITEMASK  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILFAIL  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILZFAIL  
\-D3DRENDERSTATE\_STENCILPASS

DX6话题  
记住查询可能的位！  
加上建立并附加一个深度/蒙板界面（接口）

关于性能  
今天的32位图形加速模式将24位深度加上8位蒙板封装在同一个内存字中。  
如RIVA TNT  
性能提示：如果使用了深度测试，蒙板测试是不会带来恶报的  
不要认为蒙板测试是“昂贵的”，实际上如果已经进行了深度测试，蒙板是“免费的”。

平面反射：

绘制物体两次，第二次用glScalef(1,-1,-1)实现平面上的反射  
第二次只能在反射面内画，超出部分要裁掉，这就要用到蒙板缓冲区。  
1、蒙板清0。  
2、将蒙板设为1，绘制反射平面多边形。  
3、只在蒙板为1处绘制反射图象。  
这个平面反射的思想可以递归使用。这需要更多的蒙板位。

平面阴影：建立阴影变换矩阵  
原理  
1、地平面的方程为ax+by+cz+d=0，光源在原点，空间一点(sx,sy,sz,1)的阴影：  
过原点和空间一点的直线上的点坐标为(n\*sx,n\*sy,n\*sz,1)；  
该直线与地平面交点为(m\*sx,m\*sy,m\*sz,1)，它应该满足地平面方程，所以  
m(a\*sx+b\*sy+c\*sz)+d=0; 则m=-d/(a\*sx+b\*sy+c\*sz);  
交点坐标\{-d/(a\*sx+b\*sy+c\*sz\}(sx,sy,sz)  
变换矩阵  
\-d, 0, 0, 0  
0, -d, 0, 0  
0, 0, 0, -d,  
0, 0, 0, -d  
2、光源在无限远，方向为D(dx,dy,dz)，空间一点s(sx,sy,sz,1)的阴影：  
这回直线为s+nD，与地面平面交点为：  
a(sx+n.dx)+b(sy+n.dy)+c(sz+n.dz)+d=0 --- n=-(a.sz+b.sy+c.sz+d)/(dx+dy+dz)  
交点为(sx,sy,sz)+n\*(dx,dy,dz)  
变换矩阵  
\-d, 0, 0, 0  
0, -d, 0, 0  
0, 0, -d, 0  
0, 0, 0, -d  
代码：  
void shadowMatrix(GLfloat shadowMat\[4\]\[4\], GLfloat groundplane\[4\], GLfloat lightpos\[4\])  
\{  
GLfloat dot;  
/\*光源矢量与平面法向矢量的点积 \*/  
dot = groundplane\[X\] \* lightpos\[X\] +  
groundplane\[Y\] \* lightpos\[Y\] +  
groundplane\[Z\] \* lightpos\[Z\] +  
groundplane\[W\] \* lightpos\[W\];  
shadowMat\[0\]\[0\] = dot - lightpos\[X\] \* groundplane\[X\];  
shadowMat\[1\]\[0\] = 0.f - lightpos\[X\] \* groundplane\[Y\];  
shadowMat\[2\]\[0\] = 0.f - lightpos\[X\] \* groundplane\[Z\];  
shadowMat\[3\]\[0\] = 0.f - lightpos\[X\] \* groundplane\[W\];  
shadowMat\[X\]\[1\] = 0.f - lightpos\[Y\] \* groundplane\[X\];  
shadowMat\[1\]\[1\] = dot - lightpos\[Y\] \* groundplane\[Y\];  
shadowMat\[2\]\[1\] = 0.f - lightpos\[Y\] \* groundplane\[Z\];  
shadowMat\[3\]\[1\] = 0.f - lightpos\[Y\] \* groundplane\[W\];  
shadowMat\[X\]\[2\] = 0.f - lightpos\[Z\] \* groundplane\[X\];  
shadowMat\[1\]\[2\] = 0.f - lightpos\[Z\] \* groundplane\[Y\];  
shadowMat\[2\]\[2\] = dot - lightpos\[Z\] \* groundplane\[Z\];  
shadowMat\[3\]\[2\] = 0.f - lightpos\[Z\] \* groundplane\[W\];  
shadowMat\[X\]\[3\] = 0.f - lightpos\[W\] \* groundplane\[X\];  
shadowMat\[1\]\[3\] = 0.f - lightpos\[W\] \* groundplane\[Y\];  
shadowMat\[2\]\[3\] = 0.f - lightpos\[W\] \* groundplane\[Z\];  
shadowMat\[3\]\[3\] = dot - lightpos\[W\] \* groundplane\[W\];  
\}

基本的阴影绘制方法：  
/\* Render 50% black shadow color on top of whatever  
the floor appearance is. \*/  
glEnable(GL\_BLEND);  
glBlendFunc(GL\_SRC\_ALPHA,  
GL\_ONE\_MINUS\_SRC\_ALPHA);  
glDisable(GL\_LIGHTING); /\* Force the 50% black. \*/  
glColor4f(0.0, 0.0, 0.0, 0.5);  
glPushMatrix();  
/\* Project the shadow. \*/  
glMultMatrixf((GLfloat \*) floorShadow);  
drawDinosaur();  
glPopMatrix();  
并非如此容易1  
显然上边的基本绘制代码没有使用蒙板。  
这会导制加倍混合现象，使灰色阴影内部出现黑块，这是部分阴影象素被绘制了多次而产生的。  
解决之道是使用蒙板记录已经绘制过的像素：  
1、将蒙板清0  
2、绘制蒙板为1的地平面  
3、如果蒙板为1绘制阴影  
4、如果阴影通过蒙板测试，将蒙板设为2  
于是加倍混合消失。  
并非如此容易2  
即使消除了加倍混合，还会有其它问题。  
深度缓冲Z值与物体阴影冲突，可能会在该画阴影的地方画上了地表面。  
解决之道是把阴影的Z稍微升高一点。  
光晕效果  
1、蒙板缓冲清0；  
2、绘制物体，物体所在部分的蒙板设为1。  
3、用glScalef将物体放大  
4、在蒙板为1以外的区域再次绘制物体  
阴影体  
即光源与物体边缘顶点连线形成的棱台体。  
用蒙板标记像素是在阴影体之内还是之外。  
两遍绘制：光照阴影体外的像素，无光照阴影体内的像素。  
阴影体投影可能与其它物体的投影有部分相交，（注意：二维处理过程），  
也就是说需要使用二维裁剪来区分阴影体内外的物体象素。  
计算物体轮廓  
我们需要找出物体轮廓，以便扩展出其阴影体。这个过程就象给它们画剪影。  
三角形有最简单轮廓  
复杂物体需要进行轮廓计算  
\-OpenGL的反馈机制和GLU1.2的拼嵌器(tesselator)可以帮助你。  
动态阴影体很酷！  
蒙板阴影算法  
1、将场景的深度值绘制写入深度缓冲区  
2、在蒙中板绘制阴影体时，如果深度测试通过则反转蒙板位  
\-glStencilOp(GL\_KEEP,GL\_KEEP,GL\_INVERT);  
3、阴影体外的像素取反偶数次  
4、阴影体内的像素反转奇数次  
反转举例\[P35\]  
光源在上方，物体及其阴影体在前方，  
视点与阴影体之间的点：反转0次，为1  
阴影体内的点：反转1次，为1  
阴影体外的点：反转2次，为0  
绘制阴影内外  
1、关闭光照计算绘制场景，只更新设有奇数模板位的象素  
2、打开光照计算绘制场景，只更新设有偶数模板位的象素  
3、阴影绘制完毕  
多个物体与多个光源  
进入与离开计数  
场景中的区域可分成不同阴影级，不在任何阴影体内为0，  
只在一个物体的阴影体内为1，在两物体阴影体相交区域内为2，  
在三个物体阴影体相交区域内为3……  
沿光线方向前进会出现进入阴影体和离开阴影体两个过程，我们可以以此来实现计数。  
蒙板计数  
1、对正对阴影体多边形使用GL\_INCR蒙板操作  
2、对背对阴影体多边形使用GL\_DECR蒙板操作  
3、绘制两遍  
4、可以稍微扩展来自每个多边形的阴影体  
5、注意观察裂缝  
6、像素填充速率消耗巨大  
抖动阴影体  
多次绘制阴影体，次与次之间轻微抖动光源，累积缓冲区把每一次加起来。这样可以生成边缘柔和的软件阴影。  
其它蒙板用法  
1、数字溶解效果：蒙板缓冲区保存溶解掩模，使用掩模对两场景进行蒙板测试。  
2、处理共面几何体，如贴标签纸。  
共平面几何体会呈现z冲突，如绘制贴有标签纸的盒子时，可能出现标签纹理与盒子表面随机互相取代的现象，使用蒙板测试可以修正。  
3、衡量深度复杂度  
用蒙板计算像素更新的次数，并以此生成颜色码。这样就可以用不同的颜色绘制物体不同深度的部分。  
4、实体几何建模  
利用两个或多个相交几何体进行加、减、交运算构造新的复杂几何体称主实体几何。  
绘制时需要特殊处理的是相交部分产生的切面，使用蒙板缓冲就可以得到这一信息。  
结论  
蒙板测试=提高视见品质，独特的效果  
如今使用蒙板的游戏：  
\-Quake 3 ：恐怖的体积阴影  
\-Unreal ：邪恶的阴影效果

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