深度バッファ

座標系のレッスンでは、深度バッファを使用して3次元のコンテナをレンダリングしました。これにより、他の人の背後にある顔の誤った表示が防止されました。 このレッスンでは、デプスバッファー（またはzバッファー）とそこに格納されている値を詳しく調べ、フラグメントが他のフラグメントよりも遅れている場合にチェックがどの程度正確に通過するかを調べます。





デプスバッファは、カラーバッファ（すべてのフラグメントの色—可視画像を格納する）と同様に、各フラグメントの特定の情報を格納し、通常はカラーバッファと同じサイズを持ちます。 深度バッファは、OSウィンドウシステムによって自動的に作成され、16ビット、24ビット、または32ビットの浮動小数点数の形式で値を格納します。 ほとんどのシステムでは、24ビットの精度のバッファーがデフォルトで作成されます。



深度テストが有効になっている場合、OpenGLは、処理された各フラグメントの深度をバッファに保存されているデータと照合します。 テストに合格すると、処理されたフラグメントの深さ値でバッファの内容が更新され、テストが失敗した場合、保存された値は同じままになり、フラグメントは破棄されます。



深度テストは、フラグメントシェーダーが実行された後（および次のレッスンで説明するステンシルテストの後）、画面スペースで実行されます。 画面座標はglViewport関数で指定されたビューポートのパラメーターに直接関連しており、フラグメントシェーダーコードのGLSL組み込み変数gl_FragCoordからアクセスできます。 この変数のxおよびyコンポーネントは、ビューポート内のフラグメントの座標です（ウィンドウの左下隅には座標（0、0）があります）。 Gl_FragCoordには3番目のコンポーネントもあり、実際にはフラグメントの深さの値が含まれています。 このzコンポーネントは、深度バッファの値と比較するために使用されます。

最新のGPUは、ほとんどすべてが初期深度テストと呼ばれるトリックを使用しています。 この手法により、フラグメントシェーダーを実行する前に深度テストを実行できます。 このフラグメントがどのようにも見えない（他のオブジェクトによってブロックされている）ことに気付いた場合、シェーディングステージまでそれを破棄できます。

フラグメントシェーダーは計算量が多いため、意味のない場所では実行しないでください。 このテクニックには1つの制限しかありません。フラグメントシェーダーはフラグメント深度の値を変更しないでください。 この場合、OpenGLは処理済みフラグメントの深度値を事前に決定できないため、これは明らかです。

デフォルトでは、深度テストは無効になっています。 オンにします：

glEnable(GL_DEPTH_TEST);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

深度テストをオンにすると、OpenGLはテストに合格したすべてのフラグメントの深度値を自動的に保存し、合格しなかったフラグメントを破棄します。



深度テストを有効にするには、各フレームの古い値からバッファをクリアする必要もあります。 新しいフラグGL_DEPTH_BUFFER_BITがおなじみのglClear関数に追加されました

 glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

特定の状況では、バッファ自体の内容を更新せずに、テスト結果に従って破棄して処理済みフラグメントの深度テストを実行する必要がある場合があります。 すなわち 読み取り専用モードバッファへの割り当て。 深度マスクをGL_FALSEに設定すると、バッファへの書き込みが無効になります。

 glDepthMask(GL_FALSE);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

これは、深度テストがオンの場合にのみ意味があることに注意してください。

深度テスト機能

OpenGLでは、深度テストで使用される比較演算子を再定義できます。これにより、処理するフラグメント、破棄するフラグメント、および深度バッファを更新するケースを細かく制御できます。 このステートメントは、 glDepthFunc関数を呼び出すことで設定されます。

 glDepthFunc(GL_LESS);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

この関数は、このリストから比較演算子の識別子を受け入れます。









デフォルトではGL_LESSが使用されます。これは、バッファに格納されている深度値以上の深度を持つすべてのフラグメントを破棄することを意味します。



さまざまな比較演算子がアプリケーションの出力にどのように影響するかを試してみましょう。 私たちは、照明を使用せずに、床に立つ2つのテクスチャキューブでシーンを設定する新しいプロジェクトを使用しています。 ソースコードはこちらです。 まず、演算子をGL_ALWAYSに変更します 。

 glEnable(GL_DEPTH_TEST); glDepthFunc(GL_ALWAYS);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

この設定は、深度テストを無効にすることと同等です。深度テストでは、たとえ前景にあるはずであったとしても、先に処理されたフラグメントの上に、後で処理されたフラグメントが表示されます。 そして最後に床を描くので、その断片は以前に表示された立方体のすべての断片と重なりました：









GL_LESS演算子を返すと、正しいシーンが得られます。

深度値の精度の問題

深度バッファの値は間隔[0.0、1.0]に制限され、それらに対して、すべてのシーンオブジェクトのzコンポーネントが観測者の視点からチェックされます。 この場合、種空間内のオブジェクトのzコンポーネントは、間隔[zNear、zFar]の任意の値を取ることができます。これにより、投影ピラミッド（ 投影錐台 ）の近境界と遠境界が決まります。 この矛盾を解消するには、種空間のz成分の値を区間[0.0、1.0]に変換する方法が必要です。 最初の単純な方法は、単純な線形変換です。

$$

$${{F} _ {depth}} = \ frac {z-zNear} {zFar-zNear}$$

ここで、zNearとzFarは、可視性ピラミッドを定義する投影行列の作成に使用したnearおよびfarパラメーターの値です（ 座標系を参照）。 この依存関係は、可視性ピラミッド内にあるzの値をパラメーターとして受け取り、それを間隔[0.0、1.0]に変換します。 z値と結果の深度値との関係は、グラフで確認できます。

考慮されるすべての依存関係は、近いオブジェクトでは0.0になり、遠いクリッピング平面の近くにあるオブジェクトでは1.0になる傾向がある値になります。

ただし、実際には、線形深度バッファは実際には使用されません。 高品質の投影結果を得るには、1 / zに比例する依存関係が使用されます。 この依存関係を使用すると、zが小さい場合は深度値の精度が高くなり、zが大きい場合は精度がはるかに低くなります。 この動作の意味について考えてください。オブザーバーから数千単位のオブジェクトや、オブザーバーのすぐ前にある詳細なオブジェクトの場合、深度値の精度は本当に重要ですか？ 線形変換を使用する場合、この問題は考慮されません。



非線形変換は1 / zに比例するため、区間[1.0、2.0]のz値に対して、区間[1.0、0.5]の深度値を取得します。これは、float型の半分の精度を既にカバーし、小さなzに非常に高い精度を提供します。 間隔[50.0、100.0]からのz値は、float型の使用可能な精度の2％だけで提供されますが、これはまさに必要なものです。 そのため、射影行列のパラメーターzNearとzFarを考慮することを含む、新しい依存関係：

$$

$${{F} _ {depth}} = \ frac {1 / z-1 / zNear} {1 / zFar-1 / zNear} \、\、\、\、\、\、\、\、（2）$$

この表現が具体的に何を意味するのかわからなくても心配しないでください。 主なことは、深度バッファに格納されている値がスクリーン空間で非線形であることを覚えておくことです（ビュー空間では、射影行列を適用する前は線形です）。 バッファーの値0.5は、オブジェクトが可視性のピラミッドの真ん中にあることを意味するものではありません。 実際、この深度が対応するポイントは、ニアクリッピングプレーンにかなり近いです。 以下のグラフは、z成分の初期値に対する非線形深度値の依存関係を示しています。









ご覧のとおり、入力値zが小さいと深度値が大きく異なるため、クリッピングプレーンに近い領域の精度が向上します。 （観測者の視点からの）z値の変換の式は、射影行列の構造に埋め込まれます。 したがって、頂点の座標をビュー空間からクリップ空間に変換してからスクリーン空間に変換するとき、z値の非線形変換を使用します。 投影行列のメカニズムを詳細に理解したい場合は、この素晴らしい記事をお勧めします 。



深度バッファを視覚化しようとすると、非線形性の影響に気付きやすくなります。



深度バッファ値の視覚的表現。



そのため、頂点シェーダーでは、組み込み変数gl_FragCoordのzコンポーネントを介してフラグメント深度値を使用できます。 この値を色の値として出力すると、現在の深度バッファーの内容を視覚化できます。

 void main() { FragColor = vec4(vec3(gl_FragCoord.z), 1.0); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

アプリケーションを実行しようとすると、ほとんどの場合、すべてが白でいっぱいになり、すべてのオブジェクトの深さが1.0（可能な最大値）であるという印象を与えます。 深さがゼロに近づく暗い領域が表示されないのはなぜですか？



前のセクションから、画面スペースでは深度バッファーの値が非線形である、つまり zが小さい場合は精度が高く、zが大きい場合は小さくなります。 ほとんどすべての頂点が1.0に近い深度にすばやく到達するため、深度値はシーン内の距離とともに非常に急速に増加します。 オブジェクトの1つに注意深く近づくと、最終的には、zの値が減少することで、近い部分が暗くなるのを区別できます。



ここでは、深度値の非線形性がはっきりと見えます。 近くのオブジェクトでは、深さの値は遠くのオブジェクトよりもはるかに速く変化します。 カメラのわずかな動きにより、色がほぼ黒から真っ白に変わります。



ただし、フラグメント深度の非線形値を線形分布値に変換する機会があります。 これを行うには、投影プロセスを文字通り逆にする必要がありますが、深さの値についてのみです。 最初のステップは、深さの値を、値の間隔[0.0、1.0]から、クリッピング空間の正規化デバイス座標（ NDC、正規化デバイス座標 ）に対応する間隔[-1.0、1.0]に変換し直すことです。 次に、非線形式（2）の逆式を導出し、取得した深度値に適用します。 結果は線形の深さ値です。 私たちの能力は非常に高いと思いますか？



したがって、まず最初に、深度値をNDCに変換します。

 float z = depth * 2.0 - 1.0;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

次に、逆関係（2）を使用して、取得したzの値を線形の値に変換します。

 float linearDepth = (2.0 * zNear * zFar) / (zFar + zNear - z * (zFar - zNear));
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

この式は、深度値の非線形変換のために式（2）を使用して射影行列に対して取得され、それらを区間[zNear、zFar]に制限したことを思い出します。 再び、射影行列の内部構造の数学的詳細に満ちた記事へのリンクを提供します。 上記の表現が由来する記事からも理解できます。



画面空間で非線形深度を線形値に変換するフラグメントシェーダーの全文：

 #version 330 core out vec4 FragColor; float zNear = 0.1; float zFar = 100.0; float LinearizeDepth(float depth) { //    NDC float z = depth * 2.0 - 1.0; return (2.0 * zNear * zFar) / (zFar + zNear - z * (zFar - zNear)); } void main() { //   zFar    float depth = LinearizeDepth(gl_FragCoord.z) / zFar; FragColor = vec4(vec3(depth), 1.0); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

線形化された深度はzNear境界とzFar境界の間にあるため、ほとんどの値は1.0より大きくなり、純粋な白で表示されます。 メイン関数コードで線形深度値をzFarで除算して、おおよそ[​​0.0、1.0]の間隔にします。 これにより、投影ピラミッドの遠方面に近づくと、シーンオブジェクトの明るさの滑らかな増加を観察できます。



今回アプリケーションを起動することにより、距離による深さの変化の線形性を検証できます。 シーンをさまよい、変化を観察してみてください。

深度値はzNear = 0.1からzFar = 100.0まで直線的に変化するため、シーンはほぼ完全に黒で塗りつぶされます。この場合、これはかなり遠くにあります。 そして、投影ピラミッドのニアプレーンに近いため、深度とそれに応じた輝度値は非常に小さくなります。

限られた精度のバッファ深度アーティファクト

2つの平面または2つの三角形が非常に接近して重なり合っているため、深度バッファの精度がこれらのオブジェクトの順序を明確に解決するには不十分である場合、かなり一般的な視覚アーティファクトが表示されます。 このあいまいさの結果として、これらのオブジェクトの断片は常に配置を変更し、視覚的なノイズとパターンを作成しているように見えます。 この現象はzファイティングと呼ばれます。これは、表示されている数字が他の数字と重複する可能性を求めて戦っているように見えるためです。



使用されるシーンでは、Zファイティングが顕著である十分な場所があります。コンテナは特別に床と同じ高さに配置され、コンテナとコンテナの底面が同じ平面にあることを保証します。 また、これは、深さの値が両方のプレーンで等しいことを意味します。これにより、深さバッファーを使用してこれらのプレーンのシーケンスを順序付けることができなくなります。



カメラをいずれかのコンテナに入れると、効果がすべての栄光に現れます。 フロアプレーンの破片が引き出しの底を絶えずすり抜け、迷惑な破れたパターンを作成する様子を見ることができます：Zファイティングは深度バッファーを使用する場合に一般的な問題であり、遠くのオブジェクトでは一般的に目立ちます（バッファーの精度が遠くなると低下するため）。 この現象を完全に回避することはできませんが、開発者の武器には、特定のシーンでZファイティングを減らすか、完全に取り除くいくつかのアプローチがあります。

対処方法

最初の、そしておそらく最も重要なヒントは、 オブジェクトを互いに近づけすぎて、三角形を重ねる危険を冒さないことです。 ユーザーに目立たないように小さなオブジェクトを追加することにより、オブジェクト間のオフセットによりzファイティングからの自由が確保されます。 飛行機とコンテナの場合、コンテナを正の軸Yの方向に移動するだけで十分です。十分に小さい変位は感知できませんが、アーティファクトを取り除くには十分です。 ただし、この方法では、シーンを手動で修正し、シーンにzファイティングの兆候がないことを確認するための厳密なテストが必要です。



別のアプローチは、可能な限り近いクリッピングプレーンを設定することです。 上記のように、zNear平面の近くでかなりの精度が提供されます。 したがって、観測者から近い平面を移動すると、視界のピラミッドのボリューム全体の精度が向上します。 ただし、ニアプレーンの過度の変位は、近傍のオブジェクトの顕著な切り捨てにつながる可能性があることを覚えておく価値があります。 したがって、このアプローチでは、zNear値を正常に選択するために、一定量のサンプルと適合が必要です。



3番目の方法は、より精度の高い深度バッファー形式を使用することを単に提案するため、パフォーマンスの一部を支払う必要があります。 ほとんどの場合、24ビットの精度のバッファーが使用されますが、最新のビデオカードでは深度バッファーに32ビットの精度を使用できます。 精度を上げるとZファイティングの効果が減りますが、スピードが犠牲になります。



Zファイティングを取り除くためのこれら3つの手法は、最も一般的で実装が簡単です。 より時間がかかる他の方法がありますが、それでも問題の完全な解決を保証するものではありません。 実際、zファイティングは典型的な問題ですが、上記の手法を慎重に使用すれば、このアーティファクトの兆候にまったく対処する必要はないでしょう。



PS ：元の記事のコメンテーターの1人が、zファイティングを100％排除する2つの方法についてのヒントを提供しています。 そして、SGIX_reference_plain拡張を使用します。