OpenGL:基本图形绘画二

一、片段测试：片断测试其实就是测试每一个像素，只有通过测试的像素才会被绘制，没有通过测试的像素则不进行绘制。OpenGL提供了多种测试操作，利用这些操作可以实现一些特殊的效果。
1、剪裁测试，类似遮罩
剪裁测试用于限制绘制区域。我们可以指定一个矩形的剪裁窗口，当启用剪裁测试后，只有在这个窗口之内的像素才能被绘制，其它像素则会被丢弃。换句话说，无论怎么绘制，剪裁窗口以外的像素将不会被修改。
可以通过下面的代码来启用或禁用剪裁测试：
glEnable(GL_SCISSOR_TEST);   // 启用剪裁测试
glDisable(GL_SCISSOR_TEST); // 禁用剪裁测试

可以通过下面的代码来指定一个位置在(x, y)，宽度为width，高度为height的剪裁窗口。
glScissor(x, y, width, height);
注意，OpenGL窗口坐标是以左下角为(0, 0)，右上角为(width, height)的，这与Windows系统窗口有所不同。
2、Alpha测试
每个像素即将绘制时，如果启动了Alpha测试，OpenGL会检查像素的Alpha值，只有Alpha值满足条件的像素才会进行绘制（严格的说，满足条件的像素会通过本项测试，进行下一种测试，只有所有测试都通过，才能进行绘制），不满足条件的则不进行绘制。这个“条件”可以是：始终通过（默认情况）、始终不通过、大于设定值则通过、小于设定值则通过、等于设定值则通过、大于等于设定值则通过、小于等于设定值则通过、不等于设定值则通过。
如果我们需要绘制一幅图片，而这幅图片的某些部分又是透明的（想象一下，你先绘制一幅相片，然后绘制一个相框，则相框这幅图片有很多地方都是透明的，这样就可以透过相框看到下面的照片），这时可以使用Alpha测试。将图片中所有需要透明的地方的Alpha值设置为0.0，不需要透明的地方Alpha值设置为1.0，然后设置Alpha测试的通过条件为：“大于0.5则通过”，这样便能达到目的。当然也可以设置需要透明的地方Alpha值为1.0，不需要透明的地方Alpha值设置为0.0，然后设置条件为“小于0.5则通过”。Alpha测试的设置方式往往不只一种，可以根据个人喜好和实际情况需要进行选择。

可以通过下面的代码来启用或禁用Alpha测试：
glEnable(GL_ALPHA_TEST);   // 启用Alpha测试
glDisable(GL_ALPHA_TEST); // 禁用Alpha测试

可以通过下面的代码来设置Alpha测试条件为“大于0.5则通过”：
glAlphaFunc(GL_GREATER, 0.5f);

该函数的第二个参数表示设定值，用于进行比较。第一个参数是比较方式，除了GL_LESS(小于则通过)外，还可以选择：
GL_ALWAYS（始终通过），
GL_NEVER（始终不通过），
GL_LESS（小于则通过），
GL_LEQUAL（小于等于则通过），
GL_EQUAL（等于则通过），
GL_GEQUAL（大于等于则通过），
GL_NOTEQUAL（不等于则通过）。
混合可以实现半透明，自然也可以通过设定实现全透明。也就是说，Alpha测试可以实现的效果几乎都可以通过OpenGL混合功能来实现。那么为什么还需要一个Alpha测试呢？答案就是，这与性能相关。Alpha测试只要简单的比较大小就可以得到最终结果，而混合操作一般需要进行乘法运算，性能有所下降。另外，OpenGL测试的顺序是：剪裁测试、Alpha测试、模板测试、深度测试。如果某项测试不通过，则不会进行下一步，而只有所有测试都通过的情况下才会执行混合操作。因此，在使用Alpha测试的情况下，透明的像素就不需要经过模板测试和深度测试了；而如果使用混合操作，即使透明的像素也需要进行模板测试和深度测试，性能会有所下降。还有一点：对于那些“透明”的像素来说，如果使用Alpha测试，则“透明”的像素不会通过测试，因此像素的深度值不会被修改；而使用混合操作时，虽然像素的颜色没有被修改，但它的深度值则有可能被修改掉了。
因此，如果所有的像素都是“透明”或“不透明”，没有“半透明”时，应该尽量采用Alpha测试而不是采用混合操作。当需要绘制半透明像素时，才采用混合操作。
3、模板测试
模板测试需要一个模板缓冲区，这个缓冲区是在初始化OpenGL时指定的。如果使用GLUT工具包，可以在调用glutInitDisplayMode函数时在参数中加上GLUT_STENCIL，例如：
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_STENCIL);
通过glEnable/glDisable可以启用或禁用模板测试。
glEnable(GL_STENCIL_TEST);   // 启用模板测试
glDisable(GL_STENCIL_TEST); // 禁用模板测试

OpenGL在模板缓冲区中为每个像素保存了一个“模板值”，当像素需要进行模板测试时，将设定的模板参考值与该像素的“模板值”进行比较，符合条件的通过测试，不符合条件的则被丢弃，不进行绘制。条件的设置与Alpha测试中的条件设置相似。但注意Alpha测试中是用浮点数来进行比较，而模板测试则是用整数来进行比较。比较也有八种情况：始终通过、始终不通过、大于则通过、小于则通过、大于等于则通过、小于等于则通过、等于则通过、不等于则通过。
glStencilFunc(GL_LESS, 3, mask);
这段代码设置模板测试的条件为：“小于3则通过”。glStencilFunc的前两个参数意义与glAlphaFunc的两个参数类似，第三个参数的意义为：如果进行比较，则只比较mask中二进制为1的位。例如，某个像素模板值为5（二进制101），而mask的二进制值为00000011，因为只比较最后两位，5的最后两位为01，其实是小于3的，因此会通过测试。
glClear函数可以将所有像素的模板值复位。代码如下：
glClear(GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
可以同时复位颜色值和模板值：
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT);
正如可以使用glClearColor函数来指定清空屏幕后的颜色那样，也可以使用glClearStencil函数来指定复位后的“模板值”。

每个像素的“模板值”会根据模板测试的结果和深度测试的结果而进行改变。
glStencilOp(fail, zfail, zpass);

该函数指定了三种情况下“模板值”该如何变化。第一个参数表示模板测试未通过时该如何变化；第二个参数表示模板测试通过，但深度测试未通过时该如何变化；第三个参数表示模板测试和深度测试均通过时该如何变化。如果没有起用模板测试，则认为模板测试总是通过；如果没有启用深度测试，则认为深度测试总是通过），变化可以是：
GL_KEEP（不改变，这也是默认值），
GL_ZERO（回零），
GL_REPLACE（使用测试条件中的设定值来代替当前模板值），
GL_INCR（增加1，但如果已经是最大值，则保持不变），
GL_INCR_WRAP（增加1，但如果已经是最大值，则从零重新开始），
GL_DECR（减少1，但如果已经是零，则保持不变），
GL_DECR_WRAP（减少1，但如果已经是零，则重新设置为最大值），
GL_INVERT（按位取反）。

在新版本的OpenGL中，允许为多边形的正面和背面使用不同的模板测试条件和模板值改变方式，于是就有了glStencilFuncSeparate函数和glStencilOpSeparate函数。这两个函数分别与glStencilFunc和glStencilOp类似，只在最前面多了一个参数face，用于指定当前设置的是哪个面。可以选择GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK。

注意：模板缓冲区与深度缓冲区有一点不同。无论是否启用深度测试，当有像素被绘制时，总会重新设置该像素的深度值（除非设置glDepthMask(GL_FALSE);）。而模板测试如果不启用，则像素的模板值会保持不变，只有启用模板测试时才有可能修改像素的模板值。（这一结论是我自己的实验得出的，暂时没发现什么资料上是这样写。如果有不正确的地方，欢迎指正）

从前面所讲可以知道，使用剪裁测试可以把绘制区域限制在一个矩形的区域内。但如果需要把绘制区域限制在一个不规则的区域内，则需要使用模板测试。
例如：绘制一个湖泊，以及周围的树木，然后绘制树木在湖泊中的倒影。为了保证倒影被正确的限制在湖泊表面，可以使用模板测试。具体的步骤如下：
(1) 关闭模板测试，绘制地面和树木。
(2) 开启模板测试，使用glClear设置所有像素的模板值为0。
(3) 设置glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 1); glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE);绘制湖泊水面。这样一来，湖泊水面的像素的“模板值”为1，而其它地方像素的“模板值”为0。
(4) 设置glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, 1); glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP);绘制倒影。这样一来，只有“模板值”为1的像素才会被绘制，因此只有“水面”的像素才有可能被倒影的像素替换，而其它像素则保持不变。
4、深度测试
深度测试需要深度缓冲区，跟模板测试需要模板缓冲区是类似的。如果使用GLUT工具包，可以在调用glutInitDisplayMode函数时在参数中加上GLUT_DEPTH，这样来明确指定要求使用深度缓冲区。
深度测试和模板测试的实现原理很类似，都是在一个缓冲区保存像素的某个值，当需要进行测试时，将保存的值与另一个值进行比较，以确定是否通过测试。两者的区别在于：模板测试是设定一个值，在测试时用这个设定值与像素的“模板值”进行比较，而深度测试是根据顶点的空间坐标计算出深度，用这个深度与像素的“深度值”进行比较。也就是说，模板测试需要指定一个值作为比较参考，而深度测试中，这个比较用的参考值是OpenGL根据空间坐标自动计算的。
通过glEnable/glDisable函数可以启用或禁用深度测试。
glEnable(GL_DEPTH_TEST);   // 启用深度测试
glDisable(GL_DEPTH_TEST); // 禁用深度测试
至于通过测试的条件，同样有八种，与Alpha测试中的条件设置相同。条件设置是通过glDepthFunc函数完成的，默认值是GL_LESS。
glDepthFunc(GL_LESS);

二、工作流程：
OpenGL是一个状态机，它维持自己的状态，并根据用户调用的函数来改变自己的状态。根据状态的不同，调用同样的函数也可能产生不同的效果。
可以通过一些函数来获取OpenGL当前的状态。常用的函数有：glIsEnabled, glGetBooleanv, glGetIntegerv, glGetFloatv, glGetDoublev。
OpenGL的工作流程，输入像素数据和顶点数据，两种数据分别操作后，通过光栅化，得到片段，再经过片段处理，最后绘制到帧缓冲区。绘制的结果也可以逆方向传送，最终转化为像素数据。
我们通过glEnable来启用状态，通过glDisable来禁用它们。例如：
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glEnable(GL_BLEND);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_TEXTURE_2D);
可以用glIsEnabled函数来检测这些状态是否被开启。例如：
glIsEnabled(GL_DEPTH_TEST);
glIsEnabled(GL_BLEND);
glIsEnabled(GL_CULL_FACE);
glIsEnabled(GL_LIGHTING);
glIsEnabled(GL_TEXTURE_2D);
可以用glColor*, glMaterial*, glEnable, glDisable, 等等设置状态。