TA百人计划学习笔记 3.1.2深度测试

资料
- 源视频
  - 【技术美术百人计划】图形 3.1 深度与模板测试传送门效果示例_哔哩哔哩_bilibili
- ppt
  - 3100-模板测试与深度测试(1)
- 参考
  - Unity Shader: 理解Stencil buffer并将它用于一些实战案例（描边，多边形填充，反射区域限定，阴影体shadow volume阴影渲染）_unity stencil buffer-CSDN博客
  - 3.1 模板测试和深度测试 · 语雀
- MayoHa Wu - 知乎
Z test（depth test）深度测试
- 引入
- 是什么
  - 从渲染管线理解
    - 深度测试同样位于逐片元操作过程中，在模板测试之后，透明度混合之前。
  - 从逻辑上理解
    - 和模板测试差不多，都是通过一个比较来判断一系列操作
    - - 如果ZWrite On，且当前深度值和深度缓冲区的值作比较，如果通过就写入深度，不通过就忽略深度
    - - 当前深度值和深度缓冲区中的值做比较，如果通过就写入颜色缓冲区，不通过就不写入颜色缓冲区
  - 从书面概念上理解
    - 就是针对当前屏幕上（更准确的说是FrameBuffer）对应的像素点，将对象自身的深度值与当前深度缓冲区的深度值做比较，如果通过了，这个对象在该像素点才会将颜色写入颜色缓冲区
  - 从发展上看
    - - 控制渲染顺序
        
        画家算法：
        
        这里是指油画的画法，也就是画一幅油画，是从远处开始画，然后近处的东西一点点叠加在上面
        
        存在的问题：例如一列物体，最前面的物体最大，站在正前面看只能看到最前面的物体，这样一来后边的就不用画了，不然就是性能浪费（OverDraw）。
        
        Z-Buffer算法：
        
        通过深度缓冲区来控制渲染顺序
      - 控制Z-Buffer对深度的存储
        
        例如：什么时候更新深度缓冲区、什么时候使用深度缓冲区
        
        两个典型的功能：
        
        Z Test
        
        Z Write
      - 控制不同类型物体的渲染顺序
        
        透明物体
        
        不透明物体
        
        渲染队列
      - 减少OverDraw
        
        Early-Z
        
        Z-cull（优化手段）
        
        Z-check（确认正确遮挡关系）
- 原理和方法
  - Z-Buffer（深度缓冲区）
    - 和颜色缓冲区一样，在每个片段中存储了信息，并且通常和颜色缓冲有着一样的宽度和高度
      - 颜色缓冲区：
        
        就是最终在显示屏硬件上显示颜色的GPU显存区域了，这个缓冲区储存了每帧更新后的最终颜色值，图形流水线经过一系列测试，包括片段丢弃、颜色混合等，最终生成的像素颜色值就储存在这里，然后提交给显示硬件显示。
    - 深度缓冲是由窗口系统自动创建的，它会以16、24、32位float形式存储深度值。
      - //大部分系统中深度值是24位的
    - Z-Buffer中存储的是当前的深度信息，对于每个像素存储一个深度值。
      - 我们可以通过Z-Write 、Z-Test来调用Z-Buffer，来达到想要的渲染效果
  - Z Writer（深度写入）
    - 深度写入包括两种状态
      - ZWrite On
        
        当我们开启深度写入，物体被渲染时针对物体在屏幕（FrameBuffer）上每个像素的深度都写入到深度缓冲区。
      - ZWrite Off
        
        关闭深度写入状态，物体的深度就不会写入深度缓冲区。
    - 只有ZTest和ZWrite都可行的情况下才写入深度缓冲区
      - 除了ZWrite的是否写入深度缓冲区，更重要的是：是否通过深度测试，也就是Z-Test
        
        如果Z-Test都没通过，也就不会写入深度了。
        
        综上，ZWrite有On、Off两种情况；ZTest有通过、不通过两种情况，两者结合的四种情况如下：
  - Z-Test的比较函数
    - - 默认情况下：
        
        Z Write：On
        
        Z Test：LEqual
        
        深度缓冲一开始为无穷大
  - Unity的渲染队列
    - Unity内置的几种渲染队列：
      - 按照渲染顺序从先到后排序，队列数越小，越先渲染；反之同理。
        
        BUT
        
        Unity中透明物体的渲染顺序：从后往前（类似画家算法，会造成OverDraw）
        
        Unity中不透明物体的渲染顺序：从前往后
        
        也就是说深度小的先渲染，其次再渲染深度大的
    - Unity中设置渲染队列：
      - 语法：Tags { "Queue" = "渲染队列名"}
        
        默认是Geometry
      - 可以在shader的Inspector面板中查看渲染队列相关属性
  - 简述Early-Z技术
    - early
      - adv. 提前；提早；在早期；在初期
      - adj. 早期的；初期的；早先的；早到的
    - - 三角形遍历之后、片元着色器（像素着色器）之前。
      - 传统的渲染管线中，ZTest是在Blending阶段，这时进行深度测试的话，所以对象的像素着色器都会计算一遍，没有性能提升，只是为了得到正确的效果，造成了大量的无用计算。（深度测试失败的片元是经过片元着色器计算的片元，也就是说：到在ZTest不通过而被抛弃，前边的计算就是无用功了）
    - - Z-Cull是为了筛选片元达到性能优化的目的
      - Z-check是为了保证正确的遮挡关系。
  - 深度值
    - 模型在渲染管线中的几次空间变换
      - 最后通过一些投影映射变换到屏幕空间
    - 为什么深度缓冲区中要存储一个非线性的深度？
      - 适应人眼
      - 避免深度冲突
      - 深度测试 - LearnOpenGL-CN
- 效果
  - 案例一
    - 三个正方体遮挡关系
    - shader
      - code
    - 在frame debug中查看渲染顺序
  - 案例二 X-Ray效果
    - - 实现思路：
        
        shader的多pass
        
        pass0
        
        X-Ray效果使用ZTest ：Greater，关闭深度写入
        
        pass1
        
        默认的渲染：LEqual、ZWrite On
    - shader
      - 相关概念
        
        CGINCLUDE与pass
        
        Unity着色器CGINCLUDE与pass复用_shader pass 复用-CSDN博客
        
        blend混合模式
        
        庄懂Lesson13
        
        《shader入门精要》8章
      - code
        
        Cull back 是剔除背面，为了优化
        
        Blend SrcAlpha One ：由于有一个透明的效果，除了上边的，还需要一步Blend，来做透明度混合
  - 拓展
参考资料
- Unity Shader-渲染队列，ZTest，ZWrite，Early-Z_unity shader ztest zclip-CSDN博客
- 深度测试 - LearnOpenGL-CN
- ShaderLab: Culling & Depth Testing - Unity 手册
- unity-shader深度测试-透视xray_unity如何实现图片透视-CSDN博客
- Unity Toon Water Shader Tutorial
- 《shader入门精要》
- 《Unity ShaderLab 开发实战详解》