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》