使用着色器在OpenGL中绘制深度值

Question

我想在片段着色器中绘制深度缓冲区，我这样做：

顶点着色器：

varying vec4 position_;

gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
position_ = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;

片元着色器：

float depth = ((position_.z / position_.w) + 1.0) * 0.5;

gl_FragColor = vec4(depth, depth, depth, 1.0);

但是我打印出来的都是白色，我做错了什么？

- hidayat

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我想看到更多的上下文；就它们本身而言，着色器指令对我来说看起来很好。你给顶点指定了什么颜色？我唯一能想到的是，着色器没有完全加载，而你正在运行默认的固定管线设置，这恰好绘制了写入原语。为了调试，在你的主程序中设置glColor3f(1,0,0);，在着色器中设置gl_FragColor = vec4(0, depth, 0, 1.0);，以便区分固定函数和着色器管线。 - datenwolf

我在gDebugger中进行了一些调试，我的代码是正确的，但原因是所有东西都是白色的，是因为深度值非常接近于1，0.999，0.98888。 gl_fragcolor将颜色设置为纹理中的256。 - hidayat

这在透视投影情况下是可以预料的，因为深度值的非线性分布。请参阅@Nicol Bolas 的回答。 - datenwolf

思考一下，这些值表明了近和远裁剪平面距离的次优选择。理想情况下，近和远裁剪平面应该“触及”场景，即近裁剪平面尽可能靠近，远裁剪平面尽可能接近。如果您的裁剪平面设置为这样，您应该能够看到至少一些深度值更接近于0。 - datenwolf

Answer 1

您希望在哪个空间中绘制深度？如果您想要绘制窗口空间中的深度，可以这样做：

gl_FragColor = vec4(gl_FragCoord.z);

然而，这并不是特别有用的，因为大多数数字都非常接近1.0。只有极其接近的对象才能看到。这是使用标准透视投影深度缓冲区的深度值分布的本质。

换句话说，这就是为什么你得到白色的原因。

如果您想在线性空间中使用这些值，您需要执行以下操作：

float ndcDepth = ndcPos.z =
    (2.0 * gl_FragCoord.z - gl_DepthRange.near - gl_DepthRange.far) /
    (gl_DepthRange.far - gl_DepthRange.near);
float clipDepth = ndcDepth / gl_FragCoord.w;
gl_FragColor = vec4((clipDepth * 0.5) + 0.5); 

- Nicol Bolas

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gl_FragColor = vec4(...) 还会将 alpha 值设置为深度值。虽然不太可能需要混合深度片段，但将深度放在 alpha 通道中有点不寻常。 - datenwolf

另外，确定眼空间深度范围内的深度是否更容易（在GPU上实现）？它进行线性插值，从而在片段阶段节省一些指令。 - datenwolf

@datenwolf，剪辑空间Z只是眼睛空间Z的线性变换。既然我们谈论的是渲染到可以查看的图像，将剪辑空间Z映射到[0,1]和将眼睛空间Z映射到[0,1]之间没有区别。 - Nicol Bolas

无论如何，我认为在顶点着色器中完成是一种优雅的解决方案。 - datenwolf

Answer 2

的确，片段的“深度”值可以从它在剪辑空间（也就是所有矩阵变换后）的z值中读取。这是正确的。

然而，你的问题在于分母为w的除法。w的除法被称为透视除法。是的，它对于透视投影正常工作是必要的。

但是，在这种情况下，分母为w将所有值“压缩”在一起（就像你所见），非常接近1.0。这有一个很好的原因：在透视投影中，w =（某个乘数）* z 。也就是说，您正在将z值（无论计算出来是多少）除以原始z的（某个因子）。难怪你总是得到接近1.0的值。你几乎是在将z除以自己。

作为一个非常简单的解决方法，请尝试仅将z除以远平面，并将其作为深度发送到片段着色器中。

顶点着色器

varying float DEPTH ;

uniform float FARPLANE ;  // send this in as a uniform to the shader

gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
DEPTH = gl_Position.z / FARPLANE ; // do not divide by w

片元着色器：

varying float DEPTH ;
// far things appear white, near things black
gl_Color.rgb=vec3(DEPTH,DEPTH,DEPTH) ;

结果是一种不错的、看起来很线性的渐变效果。

- bobobobo