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[OpenGL][SharpGL]用Polygon Offset解決z-fighting和stitching問題

本文參考了（http://www.zeuscmd.com/tutorials/opengl/15-PolygonOffset.php），用SharpGL重寫了示例代碼，您可以點擊文末的鏈接下載。

什么是stitching和z-fighting

在OpenGL中，如果想繪制一個多邊形同時繪制其邊界，可是先使用多邊形模式GL_FILL繪制物體，然后使用多邊形模式GL_LINE和不同的顏色再次繪制這個多邊形。但是由于直線和多邊形的光柵化方式不同，導致位于同一位置的多邊形和直線的深度值并不相同，進而導致直線有時在多邊形的里面，有時在多邊形的外面，這種現象就是"Stiching"。

而Z-fighting主要是指當兩個面共面時，二者的深度值一樣，深度緩沖就不能清楚的將它們兩者分離開來，位于后面的圖元上的一些像素就會被渲染到前面的圖元上，最終導致圖象在幀與幀之間產生微弱的閃光。

（上面這幾段是從（http://blog.csdn.net/oglmatrix/article/details/1793074）復制來的。）

+BIT祝威+悄悄在此留下版了個權的信息說：

Polygon Offset效果圖

解決這兩個問題的方法就是使用Polygon Offset，當然你也可以使用模板測試，但Polygon Offset的速度會比模板緩存快。

下面就是stitching的情況。

下面就是z-fighting的情況。

而理想的效果是這樣的：

下面是下文將介紹的Demo。

這是沒有使用Polygon Offset的情況。

這是使用了Polygon Offset的情況。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了個權的信息說：

如何使用Polygon Offset

下面用上圖所示的模型來演示如何使用Polygon Offset。我們要畫一個立方體，立方體的黑色線框，還有3個正方形。

Offset開關

我們用一個bool變量記錄是否啟用Polygon Offset。這樣就可以看清楚這項技術的效果了。

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

用立方體演示stitching

我們畫一個立方體和它的線條，用于演示stitching。

 1         void drawBox(OpenGL gl)
 2         {
 3             gl.Begin(OpenGL.GL_QUADS);
 4             // FRONT
 5             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.5f);
 6             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.5f);
 7             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.5f);
 8             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.5f);
 9             // BACK
10             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, -0.5f);
11             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, -0.5f);
12             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, -0.5f);
13             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, -0.5f);
14             // LEFT
15             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.5f);
16             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.5f);
17             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, -0.5f);
18             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, -0.5f);
19             // RIGHT
20             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, -0.5f);
21             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, -0.5f);
22             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.5f);
23             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.5f);
24             // TOP
25             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.5f);
26             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.5f);
27             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, -0.5f);
28             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, -0.5f);
29             // BOTTOM
30             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.5f);
31             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, -0.5f);
32             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, -0.5f);
33             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.5f);
34             gl.End();
35         }

用正方形演示z-fighting

我們在立方體的一個面上，畫幾個正方形，用于演示z-fighting。

1         void drawPolygon(OpenGL gl)
2         {
3             gl.Begin(OpenGL.GL_QUADS);
4             gl.Vertex(-0.5f, -0.5f, 0.0f);
5             gl.Vertex(0.5f, -0.5f, 0.0f);
6             gl.Vertex(0.5f, 0.5f, 0.0f);
7             gl.Vertex(-0.5f, 0.5f, 0.0f);
8             gl.End();
9         }

啟用Polygon Offset

Polygon Offset有多種使用方式。其中之一就是把立方體推遠一點點，這樣，線框和正方形就與立方體有了間隔，就不會產生干涉。（我的理解是，在執行深度測試前立方體的深度值被稍微增加了一點點，于是就跟線框區分開了。）

啟用Polygon Offset有三個可選參數（GL_POLYGON_OFFSET_POINT, GL_POLYGON_OFFSET_LINE 和GL_POLYGON_OFFSET_FILL），分別對應3種光柵化模式（GL_POINT, GL_LINE 和GL_FILL）。

首先來渲染立方體，我們用GL_POLYGON_OFFSET_FILL來啟用Polygon Offset。

1             if (offset)
2             {
3                 gl.Enable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

指定偏移量

啟用了Polygon Offset，那么到底要把立方體推遠多少呢？這需要用glPolygonOffset來指定。glPolygonOffset需要2個參數：GLfloat factor 和GLfloat units。

每一個Fragment的深度值都會增加如下所示的偏移量：

offset = (m * factor) + (r * units)

m是多邊形的深度的斜率（在光柵化階段計算得出）中的最大值。這句話難以理解，你只需知道，一個多邊形越是與近裁剪面（near clipping plan）平行，m就越接近0。

r是能產生在窗口坐標系的深度值中可分辨的差異的最小值，r是由具體實現OpenGL的平臺指定的一個常量。

一個大于0的offset 會把模型推到離你（攝像機）更遠一點的位置，相應地，一個小于0的offset 會把模型拉近。

如果想要非常好地使用Polygon Offset，你需要做一些數學上的研究。不過一般而言，只需把1.0和0.0這樣簡單的值賦給glPolygonOffset即可滿足需要。

我們要把立方體推遠一點，所以

4                 gl.PolygonOffset(1.0f, 1.0f);
5             }

然后，我們繪制立方體，并關閉Polygon Offset。

6             gl.Color(1.0f, 0.0f, 0.0f);
7             gl.PolygonMode(OpenGL.GL_FRONT_AND_BACK, OpenGL.GL_FILL);
8             drawBox(gl);
9 
10            if (offset)
11                gl.Disable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

繪制正方形

我們已經推遠了立方體，所以原本在立方體平面上的綠色和黃色正方形就沒有z-fighting現象了。直接繪制即可。

 1             gl.Color(0.0f, 1.0f, 0.0f);
 2             gl.PushMatrix();
 3             gl.Translate(-0.25f, -0.25f, 0.5f);
 4             gl.Scale(0.5f, 0.5f, 0.5f);
 5             drawPolygon(gl);
 6             gl.PopMatrix();
 7 
 8             gl.Color(1.0f, 1.0f, 0.0f);
 9             gl.PushMatrix();
10             gl.Translate(0.25f, 0.25f, 0.5f);
11             gl.Scale(0.5f, 0.5f, 0.5f);
12             drawPolygon(gl);
13             gl.PopMatrix();

注意，綠色和黃色正方形兩者之間沒有重疊的部分，所以不會有z-fighting現象。

但是藍色正方形與綠色、黃色正方形都有重疊，所以會有z-fighting現象。為避免此現象，我們把-1.0賦予glPolygonOffset，即拉近藍色正方形。

 1             if (offset)
 2             {
 3                 gl.Enable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);
 4                 gl.PolygonOffset(-1.0f, -1.0f);
 5             }
 6 
 7             gl.Color(0.0f, 0.0f, 1.0f);
 8             gl.PushMatrix();
 9             gl.Translate(0.0f, 0.0f, 0.5f);
10             gl.Scale(0.5f, 0.5f, 0.5f);
11             drawPolygon(gl);
12             gl.PopMatrix();
13 
14             if (offset)
15                 gl.Disable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_FILL);

繪制立方體的線框

如果直接繪制立方體的線框，線框會與立方體產生stitching現象。所以，如同拉近藍色正方形一樣，我們也把線框拉近一點。不同的是，我們把GL_POLYGON_OFFSET_LINE賦予glEnable。

 1             if (offset)
 2             {
 3                 gl.Enable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_LINE);
 4                 gl.PolygonOffset(-1.0f, -1.0f);
 5             }
 6 
 7             gl.Color(0.0f, 0.0f, 0.0f);
 8             gl.PolygonMode(OpenGL.GL_FRONT_AND_BACK, OpenGL.GL_LINE);
 9             drawBox(gl);
10 
11             if (offset)
12                 gl.Disable(OpenGL.GL_POLYGON_OFFSET_LINE);

啟用\禁用Polygon Offset

我們用A鍵開控制是否啟用Polygon Offset功能。

1         void openGLControl_KeyDown(object sender, KeyEventArgs e)
2         {
3             if (e.KeyCode == Keys.A)
4             {
5                 offset = !offset;
6             }
7         }