OpenGL——顏色混合 glBlendFunc函數

參考來源:http://www.cnblogs.com/ylwn817/archive/2012/09/07/2675285.html

(PS:非常感謝參考來源中筆者的詳細講解,加深了我對該函數的瞭解。有興趣者可以去訪問之)


前言:今天看到了OpenGL中混合效果,特此做了一番學習後對它有了一定的瞭解,現在整理如下:

混合的概念

何謂混合,混合就是指把兩種顏色混在一起。具體一點,也就是說把某一像素位置原來的顏色和將要畫上去的顏色,通過某種方式混在一起,從而實現特殊的效果。

假設我們需要繪製這樣一個場景:透過紅色的玻璃去看綠色的物體,那麼可以先繪製綠色的物體,再繪製紅色玻璃。在繪製紅色玻璃的時候,利用“混合”功能,把將要繪製上去的紅色和原來的綠色進行混合,於是得到一種新的顏色,看上去就好像玻璃是半透明的。
要使用OpenGL的混合功能,只需要調用:glEnable(GL_BLEND);即可。
要關閉OpenGL的混合功能,只需要調用:glDisable(GL_BLEND);即可。
注意:只有在RGBA模式下,纔可以使用混合功能,顏色索引模式下是無法使用混合功能的。

源因子和目標因子

前面我們已經提到,混合需要把原來的顏色和將要畫上去的顏色找出來,經過某種方式處理後得到一種新的顏色。這裏把後來要畫上去的顏色稱爲“源顏色”,把之前的顏色稱爲“目標顏色”。
也可以理解成源顏色和目標顏色是跟繪製的順序有關的。假如先繪製了一個紅色的物體,再在其上繪製綠色的物體。則綠色是源顏色,紅色是目標顏色。如果順序反過來,則 紅色就是源顏色,綠色纔是目標顏色。在繪製時,應該注意順序,使得繪製的源顏色與設置的源因子對應,目標顏色與設置的目標因子對應。不要被混亂的順序搞暈了。

OpenGL 會把源顏色和目標顏色各自取出,並乘以一個係數(源顏色乘以的係數稱爲“源因子”,目標顏色乘以的係數稱爲“目標因子”),然後相加,這樣就得到了新的顏 色。(也可以不是相加,新版本的OpenGL可以設置運算方式,包括加、減、取兩者中較大的、取兩者中較小的、邏輯運算等,但我們這裏爲了簡單起見,不討論這個了)
下面用數學公式來表達一下這個運算方式。假設源顏色的四個分量(指紅色,綠色,藍色,alpha值)是(Rs, Gs, Bs,  As),目標顏色的四個分量是(Rd, Gd, Bd, Ad),又設源因子爲(Sr, Sg, Sb, Sa),目標因子爲(Dr, Dg, Db,  Da)。則混合產生的新顏色可以表示爲:
(Rs*Sr+Rd*Dr, Gs*Sg+Gd*Dg, Bs*Sb+Bd*Db, As*Sa+Ad*Da)
當然了,如果顏色的某一分量超過了1.0,則它會被自動截取爲1.0,不需要考慮越界的問題。
 
語法: glBlendFunc(GLenum sfactor,GLenum dfactor);
源因子和目標因子是可以通過glBlendFunc函數來進行設置的。glBlendFunc有兩個參數,前者sfactor表示源因子,後者dfactor表示目標因子。這兩個參數可以是多種值,下面介紹比較常用的幾種。
GL_ZERO:     表示使用0.0作爲因子,實際上相當於不使用這種顏色參與混合運算。
GL_ONE:      表示使用1.0作爲因子,實際上相當於完全的使用了這種顏色參與混合運算。
GL_SRC_ALPHA:表示使用源顏色alpha值來作爲因子。
GL_DST_ALPHA:表示使用目標顏色alpha值來作爲因子。
GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA:表示用1.0減去源顏色的alpha值來作爲因子(1-alpha)。
GL_ONE_MINUS_DST_ALPHA:表示用1.0減去目標顏色的alpha值來作爲因子。
除 此以外,還有GL_SRC_COLOR(把源顏色的四個分量分別作爲因子的四個分量)、GL_ONE_MINUS_SRC_COLOR、 GL_DST_COLOR、GL_ONE_MINUS_DST_COLOR等,前兩個在OpenGL舊版本中只能用於設置目標因子,後兩個在OpenGL 舊版本中只能用於設置源因子。新版本的OpenGL則沒有這個限制,並且支持新的GL_CONST_COLOR(設定一種常數顏色,將其四個分量分別作爲 因子的四個分量)、GL_ONE_MINUS_CONST_COLOR、GL_CONST_ALPHA、 GL_ONE_MINUS_CONST_ALPHA。另外還有GL_SRC_ALPHA_SATURATE。新版本的OpenGL還允許顏色的alpha 值和RGB值採用不同的混合因子。但這些都不是我們現在所需要了解的。畢竟這還是入門教材,不需要整得太複雜~

舉例來說:
如果設置了glBlendFunc(GL_ONE, GL_ZERO);,則表示完全使用源顏色,完全不使用目標顏色,因此畫面效果和不使用混合的時候一致(當然效率可能會低一點點)。如果沒有設置源因子和目標因子,則默認情況就是這樣的設置。
如果設置了glBlendFunc(GL_ZERO, GL_ONE);,則表示完全不使用源顏色,因此無論你想畫什麼,最後都不會被畫上去了。(但這並不是說這樣設置就沒有用,有些時候可能有特殊用途)
如 果設置了glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);,則表示源顏色乘以自身的alpha 值,目標顏色乘以1.0減去源顏色的alpha值,這樣一來,源顏色的alpha值越大,則產生的新顏色中源顏色所佔比例就越大,而目標顏色所佔比例則減 小。這種情況下,我們可以簡單的將源顏色的alpha值理解爲“不透明度”。這也是混合時最常用的方式。
如果設置了glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE);,則表示完全使用源顏色和目標顏色,最終的顏色實際上就是兩種顏色的簡單相加。例如紅色(1, 0, 0)和綠色(0, 1, 0)相加得到(1, 1, 0),結果爲黃色。


實現三維混合
也許你迫不及待的想要繪製一個三維的帶有半透明物體的場景了。但是現在恐怕還不行,還有一點是在進行三維場景的混合時必須注意的,那就是深度緩衝。
深度緩衝是這樣一段數據,它記錄了每一個像素距離觀察者有多近。在啓用深度緩衝測試的情況下,如果將要繪製的像素比原來的像素更近,則像素將被繪製。否則, 像素就會被忽略掉,不進行繪製。這在繪製不透明的物體時非常有用——不管是先繪製近的物體再繪製遠的物體,還是先繪製遠的物體再繪製近的物體,或者乾脆以 混亂的順序進行繪製,最後的顯示結果總是近的物體遮住遠的物體。
然而在你需要實現半透明效果時,發現一切都不是那麼美好了。如果你繪製了一個近距離的半透明物體,則它在深度緩衝區內保留了一些信息,使得遠處的物體將無法再被繪製出來。雖然半透明的物體仍然半透明,但透過它看到的卻不是正確的內容了。
要解決以上問題,需要在繪製半透明物體時將深度緩衝區設置爲只讀,這樣一來,雖然半透明物體被繪製上去了,深度緩衝區還保持在原來的狀態。如果再有一個物體 出現在半透明物體之後,在不透明物體之前,則它也可以被繪製(因爲此時深度緩衝區中記錄的是那個不透明物體的深度)。以後再要繪製不透明物體時,只需要再 將深度緩衝區設置爲可讀可寫的形式即可。嗯?你問我怎麼繪製一個一部分半透明一部分不透明的物體?這個好辦,只需要把物體分爲兩個部分,一部分全是半透明 的,一部分全是不透明的,分別繪製就可以了。
即使使用了以上技巧,我們仍然不能隨心所欲的按照混亂順序來進行繪製。必須是先繪製不透明的物體,然 後繪製透明的物體。否則,假設背景爲藍色,近處一塊紅色玻璃,中間一個綠色物體。如果先繪製紅色半透明玻璃的話,它先和藍色背景進行混合,則以後繪製中間 的綠色物體時,想單獨與紅色玻璃混合已經不能實現了。
總結起來,繪製順序就是:首先繪製所有不透明的物體。如果兩個物體都是不透明的,則誰先誰後 都沒有關係。然後,將深度緩衝區設置爲只讀。接下來,繪製所有半透明的物體。如果兩個物體都是半透明的,則誰先誰後只需要根據自己的意願(注意了,先繪製 的將成爲“目標顏色”,後繪製的將成爲“源顏色”,所以繪製的順序將會對結果造成一些影響)。最後,將深度緩衝區設置爲可讀可寫形式。
調用glDepthMask(GL_FALSE);可將深度緩衝區設置爲只讀形式。調用glDepthMask(GL_TRUE);可將深度緩衝區設置爲可讀可寫形式。
一些網上的教程,包括大名鼎鼎的NeHe教程,都在使用三維混合時直接將深度緩衝區禁用,即調用glDisable(GL_DEPTH_TEST);。這樣做並不正確。如果先繪製一個不透明的物體,再在其背後繪製半透明物體,本來後面的半透明物體將不會被顯示(被不透明的物體遮住了),但如果禁用深度緩衝,則它仍然將會顯示,並進行混合。NeHe提到某些顯卡在使用glDepthMask函數時可能存在一些問題,但可能是由於我的閱歷有限,並沒有發現這樣的 情況。

    那麼,實際的演示一下吧。我們來繪製一些半透明和不透明的球體。假設有三個球體,一個紅色不透明的,一個綠色半透明的,一個藍色半透明的。紅色最遠,綠色 在中間,藍色最近。根據前面所講述的內容,紅色不透明球體必須首先繪製,而綠色和藍色則可以隨意修改順序。這裏爲了演示不注意設置深度緩衝的危害,我們故 意先繪製最近的藍色球體,再繪製綠色球體。
    爲了讓這些球體有一點立體感,我們使用光照。在(1, 1, -1)處設置一個白色的光源。代碼如下:
(原參考處只提供了實現光照和小球繪製的部分,其餘部分是自己所寫,可能存在考慮不當的地方,也希望大家能給予指正或提出建議,謝謝)

// LightTest.cpp : 定義控制檯應用程序的入口點。
//
// 繪製混合效果後的三個小球
//
#include "stdafx.h"
#include <stdlib.h>
#include <glut.h>

void setLight(void)
{
	static const GLfloat light_position[] = {1.0f, 1.0f, -1.0f, 1.0f};
	static const GLfloat light_ambient[]  = {0.2f, 0.2f, 0.2f, 1.0f};
	static const GLfloat light_diffuse[]  = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
	static const GLfloat light_specular[] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT,  light_ambient);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE,  light_diffuse);
	glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPECULAR, light_specular);
	glEnable(GL_LIGHT0);
	glEnable(GL_LIGHTING);
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
}
void setMatirial(const GLfloat mat_diffuse[4], GLfloat mat_shininess)
{
	static const GLfloat mat_specular[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
	static const GLfloat mat_emission[] = {0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, mat_diffuse);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR,  mat_specular);
	glMaterialfv(GL_FRONT, GL_EMISSION,  mat_emission);
	glMaterialf (GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess);
}

void myDisplay(void)
{
	// 定義一些材質顏色  
    //顏色的四個分量(紅色,綠色,藍色,alpha值)
    //alpha值可以發揮透明到不透明的作用 [0,1]對應[透明,不透明]
	const static GLfloat red_color[] = {1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f};
	const static GLfloat green_color[] = {0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.3333f};
	const static GLfloat blue_color[] = {0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.5f};
	// 清除屏幕
	glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
	// 啓動混合並設置混合因子
    //表示源顏色乘以自身的alpha 值,目標顏色乘以1.0減去源顏色的alpha值,然後相加,得到新的顏色
	glEnable(GL_BLEND);
	glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
	// 設置光源
	setLight();
	// 以(0, 0, 0.5)爲中心,繪製一個半徑爲.3的不透明紅色球體(離觀察者最遠)
	setMatirial(red_color, 30.0);
	glPushMatrix();
	glTranslatef(0.0f, 0.0f, 0.5f);
	glutSolidSphere(0.3, 30, 30);
	glPopMatrix();
	// 下面將繪製半透明物體了,因此將深度緩衝設置爲只讀
	glDepthMask(GL_FALSE);
	// 以(0.2, 0, -0.5)爲中心,繪製一個半徑爲.2的半透明藍色球體(離觀察者最近)
	setMatirial(blue_color, 30.0);
	glPushMatrix();
	glTranslatef(0.2f, 0.0f, -0.5f);
	glutSolidSphere(0.2, 30, 30);
	glPopMatrix();
	// 以(0.1, 0, 0)爲中心,繪製一個半徑爲.15的半透明綠色球體(在前兩個球體之間)
	setMatirial(green_color, 30.0);
	glPushMatrix();
	glTranslatef(0.1, 0, 0);
	glutSolidSphere(0.15, 30, 30);
	glPopMatrix();
	// 完成半透明物體的繪製,將深度緩衝區恢復爲可讀可寫的形式
	glDepthMask(GL_TRUE);
	glutSwapBuffers();
}
void reshape (int w, int h)
{
	glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); 
	glMatrixMode (GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity ();
	//gluPerspective(60.0, (GLfloat) w/(GLfloat) h, 1.0, 20.0);
	//glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	//glLoadIdentity();
	//gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0);
	if(w<=h)
	  glOrtho(-1.5,1.5,-1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w,1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w,-10.0,10.0);
	else
		glOrtho(-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h,1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h,-1.5,1.5,-10.0,10.0);
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	glLoadIdentity();
	gluLookAt(2.0,0.0,-4.5,0.0,0.0,0.5,0.0,1.0,0.0);//從斜邊望去較容易看出效果
	//gluLookAt(1.0,0.0,-4.5,0.0,0.0,0.5,0.0,1.0,0.0);//將看到三個小球排在一條直線上
}

int main(int argc, char**argv)
{
	glutInit(&argc,argv);
	glutInitDisplayMode (GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB|GLUT_DEPTH);
	glutInitWindowSize (500,500); 
	glutInitWindowPosition (100, 500);
	glutCreateWindow ("BALLS");

	glutDisplayFunc(myDisplay); 
	glutReshapeFunc(reshape);
	
	glutMainLoop();
	return 0;
}

運行結果(圖1):



若將上面兩處glDepthMask刪去,結果會看到最近的藍色球雖然是半透明的,但它的背後直接就是紅色球了,中間的綠色球沒有被正確繪製。

運行結果(圖2):




現在我們可以對比下圖1和圖2,
     發現當我們在繪製半透明物體時將深度緩衝區設置爲只讀時:glDepthMask(GL_FALSE);繼不透明紅色球繪製好後,半透明藍色球也被繪製上去了,此時深度緩衝區還保持在原來的狀態(即記錄的是紅色球處的深度)。之後半透明綠色球出現在半透明藍色球之後,在不透明紅色球之前,則它也可以被繪製(因爲此時深度緩衝區中記錄的是那個不透明紅色球的深度)。
        當我們將上面兩處glDepthMask刪去時,默認爲啓用深度緩衝測試的情況下,此時繪製完紅色球、藍色球之後,接着繪製綠色球的時候,將發現要繪製的藍色球像素比畫完的藍色球像素要遠,則綠色球被遮擋部分將不進行繪製。
注意:要記住此處說的像素遠近就是上文中提到的繪製的物體同觀察點的距離遠近(即跟視點的距離)。

小結
文中介紹了OpenGL混合功能的相關知識。
混合就是在繪製時,不是直接把新的顏色覆蓋在原來舊的顏色上,而是將新的顏色與舊的顏色經過一定的運算,從而產生新的顏色。新的顏色稱爲源顏色,原來舊的顏色稱爲目標顏色。傳統意義上的混合,是將源顏色乘以源因子,目標顏色乘以目標因子,然後相加。
源 因子和目標因子是可以設置的。源因子和目標因子設置的不同直接導致混合結果的不同。將源顏色的alpha值作爲源因子,用1.0減去源顏色alpha值作 爲目標因子,是一種常用的方式。這時候,源顏色的alpha值相當於“不透明度”的作用。利用這一特點可以繪製出一些半透明的物體。
在進行混合時,繪製的順序十分重要。因爲在繪製時,正要繪製上去的是源顏色,原來存在的是目標顏色,因此先繪製的物體就成爲目標顏色,後來繪製的則成爲源顏色。繪製的順序要考慮清楚,將目標顏色和設置的目標因子相對應,源顏色和設置的源因子相對應。
在進行三維混合時,不僅要考慮源因子和目標因子,還應該考慮深度緩衝區。必須先繪製所有不透明的物體,再繪製半透明的物體。在繪製半透明物體時前,還需要將深度緩衝區設置爲只讀形式,否則可能出現畫面錯誤。




最後的最後,個人自問自答環節:
學習的過程中,我一直在想當我們將兩個顏色混合後獲得的新顏色是存放在哪的呢?之後又是怎樣被使用到繪製的過程中呢?
而後,看了其它資料,似乎,這裏並沒有所謂的存放在哪之類的考究,也許可以理解爲當我們glEnable(GL_BLEND)功能,設置好glBlendFunc函數後,就表示在之後的繪製物體完成後將最終生成混合的效果。也許這部分是由圖形硬件設備部分解決的也說不定呢。

假如你看到了最後的這個Q&A環節,希望能得到你的指點,在此感激言謝。


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