Z-Buffer 或 Depth-Buffer 方法

什么是 Z-Buffer 方法？

Z-Buffer 方法是一种在计算机图形学中常用的深度缓冲技术。它用于解决多个物体在同一画面上的可见性问题。通过使用一个叫做 Z-Buffer 或者 Depth-Buffer 的缓冲区，我们可以按照物体的深度值来决定哪个像素最终需要被渲染，从而实现正确的可见性排序。

如何使用 Z-Buffer 方法？

1. 创建和初始化 Z-Buffer

首先，我们需要创建一个和屏幕分辨率相同的深度缓冲区，称之为 Z-Buffer 或者 Depth-Buffer。该缓冲区用于存储每个像素对应的深度值。

初始化 Z-Buffer 时，将每个像素的深度值设为最大值（通常为 1.0），表示它们都在视线的无穷远处。

## 初始化 Z-Buffer
for (int y = 0; y < screenHeight; y++) {
    for (int x = 0; x < screenWidth; x++) {
        zBuffer[x][y] = 1.0;
    }
}

2. 渲染场景

对于每个要渲染的物体，我们通过顶点着色器将其顶点位置投影到屏幕空间，并计算每个顶点的深度值。

在光栅化过程中，对于每个像素，我们需要将其深度值与 Z-Buffer 中对应位置的值进行比较。如果该像素的深度值更小（更接近视点），则更新 Z-Buffer 的对应位置，并绘制该像素。

## 渲染场景
for (每个三角形) {
    for (每个像素) {
        if (当前像素的深度值 < zBuffer[x][y]) {
            zBuffer[x][y] = 当前像素的深度值;
            绘制像素;
        }
    }
}

3. 清除 Z-Buffer

在每一帧渲染之前，我们需要清空 Z-Buffer 中的深度值，将其恢复为初始的最大值。这样可以确保每帧渲染开始前，所有像素都被视为在视线的无穷远处。

## 清除 Z-Buffer
for (int y = 0; y < screenHeight; y++) {
    for (int x = 0; x < screenWidth; x++) {
        zBuffer[x][y] = 1.0;
    }
}

Z-Buffer 方法的优缺点

优点

• 简单易实现：Z-Buffer 是一种简单且高效的可见性排序算法。
• 不依赖顶点顺序：Z-Buffer 方法可以正确处理重叠物体的可见性，无需事先对物体进行排序。
• 支持透明度：因为 Z-Buffer 基于像素级别的深度值比较，所以可以正确处理包含透明度的物体。
• 可以应用于各种场景：Z-Buffer 方法适用于实时渲染和离线渲染，广泛应用于计算机游戏和电影制作等领域。

缺点

• 内存占用较大：Z-Buffer 需要开辟与屏幕分辨率相同的缓冲区，对内存要求较高。
• 有限的深度精度：由于 Z-Buffer 使用浮点数表示深度值，深度精度有限，可能会出现深度冲突或精度损失的情况。
• 不适用于大场景：对于场景中物体数量极多或距离十分远的情况，Z-Buffer 方法可能会导致性能下降。

结论

Z-Buffer 或 Depth-Buffer 方法是一种常用的解决可见性排序问题的技术。通过使用 Z-Buffer 缓冲区，我们可以实现正确的深度排序，确保每个像素的可见性。尽管存在一些局限性，但 Z-Buffer 方法仍然在计算机图形学中得到广泛应用。