大家好，今天我们来聊聊图形渲染中的深度。深度，咋一看，蛮抽象的一个概念，但实际却处处存在于我们生活中。比如现在很火的无人驾驶激光雷达的定位，深度相机感知，以及各种传感器深度测量等，都与深度相关。同样的，在图形渲染中，深度的应用也很广。首先，我们看看图形渲染中一个常见的现象，在我们显示CAD模型时，很多时候需要同时显示面和边。这个时候，我们经常会发现边的显示是断断续续的，显示不完整。如下图所示：

       这种显示效果是很糟糕的，我们称这种现象叫着Z-Fighting。Z-Fighting顾名思义就是指边和面的z坐标之间互相冲突了，造成这种现象的主要原因是因为面和边离得很近，两者的深度值很接近，正常的深度剔除没办法保证绘制的前后顺序。接下来我们就来讲讲为什么会这样，以及在开发时，怎样避免这种问题。

       1. 深度值计算

        在讲深度值之前，我们先回顾一下深度值是怎么使用的。上一篇我们在讲透明渲染时也提到过。OpenGL渲染时有个深度缓冲区，在进行绘制每个对象时，对于光栅化后的对象像素，计算每个像素的深度，大于缓冲区深度的像素不绘制，小于深度缓冲区的像素才进行绘制，并把当前深度值写入到缓冲区中。

        世界坐标系中的点，经过模型变换，视图变换、投影变换等最终转换成NDC坐标中的点，NDC坐标系中点的z值就是我们的深度值，该值是处于[-1,1]之间，OpenGL会帮我们转换到[0,1]之间。这里需要注意的是我们计算出来的深度值是非线性的深度（有兴趣的朋友可以根据投影矩阵进行推导）。如下图所示：

假设近平面Near=1,远平面Far=50。那最终计算并转换到0-1空间中，1-10的距离占了90%。10-50的距离只占了10%。可以简单理解，实际深度值和最终写入深度缓冲中的深度值是非线性关系。

        可能大家好奇为什么会这样设计，其实很简单。我们在进行渲染时，肯定先看到离我们更近的物体，更多关注的也是离我们近的物体细节。所以，我们需要保证离我们近的物体有更高精度的深度值，从而使得深度剔除更加准确。虽然这样的设计可以解决很多问题，但是如果两个物体真的离得很近，或者重合那还是会出现我们前面提到的Z-Fightling的问题。那如何解决该问题呢，这里我总结一下我们经常用的办法。

    （1）最简单最直接的办法，尽量避免这种重合的面或者重合面和线。

    （2）如果是面与面的重合，OpenGL提供了API函数，glPolygonOffset可以对面进行偏移。其原理就是对NDC空间中的坐标点Z值进行Offset从而解决冲突问题。这个地方需要注意的是：glPolygonOffset对线是不起作用。

    （3）如果是面与线重合，怎么解决呢，其实和面与面类似，我们还是偏移z值。只不过不通过API函数，可以在绘制线的shader中对于最终像素点的z值进行一个很小的偏移即可，如下图所示，偏移后我们可以看出边界的轮廓很清晰。

    （4）提高深度缓冲区的精度，我们都知道浮点深度值会被写入深度缓冲区，OpenGL中可以设置当前的深度缓冲区采用8位、16位、24位或者32位精度。位数越高，浮点数可以表达的精度值越高，从而会越准确。不过缓冲区精度增加，会消耗多一点的GPU显存，移动端可能需要考虑对内存的影响。

     （5）缩小视锥体的范围。根据上图的曲线我们知道，视锥体的范围越小，则0-1之间可以表达的精度则越高。0-1的范围表达实际1-10距离和1-1000的距离，肯定1-10更好。不过缩小视锥体需要保证模型不被裁减，缩小视锥体时，应该尽量让近平面靠近物体，因为离近平面越近，精度也越高。

     （6）采用log深度。log深度其实也是同样的道理。因为log本身也是一个非线性函数，1-1000的线性深度log后范围则映射到0-3之间，log深度可以很高效的提升深度精度。

        深度是图形渲染中一个重要的概念，也是比较难以理解的概念。对图形渲染感兴趣的小伙伴，需要记住的一点就是深度是非线性的，离近平面越近，深度的精度值越高。想从事图形的开发朋友，可以说深度是每一个图形面试中都会被问的一个问题。

       2.深度纹理

       深度另外一个很重要的应用就是图形的后处理中，深度纹理。深度纹理是指的把当前场景的深度值渲染到一张纹理中，然后在后面的后处理计算中进行使用，下图就是一张深度图。

越黑的地方说明离我们越远，越白的地方离我们越近。常见的，比如我们在渲染ShadowMap时需要拿到灯光方向的深度图，比如我们在进行AO计算时，需要先渲染一张屏幕空间的深度图。可以说深度图是所有后处理计算的不可缺少的一部分。后续我们在介绍后处理时，可以再详细介绍。关于深度暂且介绍这么多，后面是笔者自己的渲染引擎介绍，感兴趣的可以看看。

        3.Base3引擎

        前面我们也介绍了Hoops、Osg、VTK等相关的显示引擎。总体来说各有优缺点：Hoops是国外产品，Osg现在维护很少，节点树复杂。VTK则更多注重空间结构数据 (CAE数据) 处理，代码仓库庞大。

       Base3是笔者在两年前就着手开发的产品，中间一直属于停滞阶段。近期随着工业软件的兴起，以及客户对自主研发的需要，目前属于在不断研发的过程中，最终目的是与Hoops相媲美的国产CAD图形引擎。本文的图片都来自于Base3引擎，下图是与QT的集成显示。

  目前Base3主要有：

（1）基于OpenGL4.0开发的跨平台引擎，支持Linux，Windows。

（2）支持Phong、Lambert等常用着色模式以及基于物理的PBR着色渲染。

（3）支持常见的STEP、IGES、STL、OBJ以及GLTF等格式的加载。其中实体模型的格式是基于OCC的转换。

（4）支持本公众号介绍的相关图形优化策略。

（5）支持CAD模型等相关的几何面，线等的高亮、捕捉等。

（6）支持与QT、MFC等图形界面的快速集成。

        总之，开发一款图形引擎并不算一件很复杂的事情，关键是在于其能否满足实际产品的需要，并能够解决产品的问题。这是一个需要不断积累，不断优化提升的过程。今天的介绍就到这了，感谢大家的关注，也祝大家国庆节快乐，同时祝咱们的祖国不断强大，工业基础软件蓬勃发展。谢谢！