Unity Shader Alpha测试 · 模板测试 · 深度测试

渲染管线中三道"关卡"的工作原理、调用顺序，以及在实际项目中的典型应用案例。

Pipeline Overview

渲染管线中的位置

三项测试都发生在片元着色器之后、帧缓冲写入之前，它们共同决定一个片元是否最终可见。

💡标准顺序：Alpha测试 → 模板测试 → 深度测试。早期剔除越多片元，GPU 后续开销越低。在现代渲染管线（OpenGL/Vulkan/Metal）中顺序略有差异，但逻辑语义保持一致。

🔴

Alpha 测试（Alpha Test）

基于片元透明度值决定是否丢弃该片元 · 顺序 ①

Alpha 测试对每个片元的 alpha 分量 与一个参考值进行比较，若不满足条件则直接 discard 丢弃，完全不写入任何缓冲区。与 Alpha 混合不同，Alpha 测试是一种硬性裁决------没有半透明，只有"通过"与"丢弃"。

典型场景：树叶、铁丝网、镂空纹理------纹理中有些区域根本不应该存在，用 Alpha 测试直接裁掉，比 Alpha 混合更高效，且不受绘制顺序影响。

案例

树叶 / 镂空遮罩纹理

树叶纹理中大量像素 alpha = 0（透明区域），使用 Alpha 测试直接丢弃，无需排序，写入深度缓冲正确。

// ① Alpha 测试：丢弃 alpha 低于阈值的片元
// 常用于树叶、铁网、镂空纹理等硬边透明效果
 
uniform sampler2D _MainTex;
uniform float     _Cutoff;   // 裁剪阈值，例如 0.5
 
void main() {
    vec4 col = texture2D(_MainTex, vTexCoord);
 
    // Alpha Test：低于阈值 → 丢弃片元
    if (col.a < _Cutoff) discard;
 
    // 通过则正常输出颜色
    gl_FragColor = col;
}

🟢

模板测试（Stencil Test）

基于模板缓冲区的值决定片元命运 · 顺序 ②

模板缓冲区（Stencil Buffer）是一张与帧缓冲等大的整型图像，每个像素存储一个整数值（通常 8-bit，范围 0~255）。模板测试将片元对应位置的缓冲值与参考值进行比较，决定是否通过；同时可根据测试结果修改缓冲区的值，从而影响后续渲染。

常见操作：KEEP（保持）、REPLACE（替换）、INCR（加 1）、DECR（减 1）、INVERT（按位取反）......

案例

描边效果（Outline） / 后处理遮罩

游戏中鼠标悬停时物体高亮描边：先将物体写入模板缓冲=1，再用稍大的模型在模板=0区域渲染描边色。

// ShaderLab 示例：两 Pass 实现描边
 
// ━━ Pass 1：渲染物体本体，同时写模板值=1 ━━
Pass {
    Stencil {
        Ref  1
        Comp Always       // 永远通过模板测试
        Pass Replace      // 通过后写入 Ref=1
    }
    // 正常渲染物体颜色...
}
 
// ━━ Pass 2：描边，只在模板值≠1 的像素着色 ━━
Pass {
    Stencil {
        Ref  1
        Comp NotEqual     // 模板值≠1 才通过
        Pass Keep
    }
    ZWrite Off
    // 稍微放大顶点，输出描边颜色...
}

🔵

深度测试（Depth Test）

基于深度缓冲区决定前后遮挡关系 · 顺序 ③

深度缓冲区（Depth Buffer / Z-Buffer）存储每个像素当前最近片元的深度值（通常归一化到 [0,1]）。深度测试将新片元的深度值与缓冲区内已有值对比，若新片元更靠近相机 （深度值更小，默认 LESS 函数）则通过并更新缓冲区，否则丢弃------这就是最基础的遮挡消除。

案例

ZWrite Off + ZTest Always --- UI 永远在最前

UI 元素通常设置为不写深度、不受深度遮挡，始终渲染在场景之上；另一个典型是水面渲染需要自定义深度比较规则。

// ShaderLab (Unity URP) 深度测试配置示例
 
// ── 案例 A：UI 永远置顶（不读深度，不写深度） ──
Pass {
    ZWrite Off         // 不写入深度缓冲
    ZTest  Always      // 不进行深度比较，永远通过
    // UI 着色器...
}
 
// ── 案例 B：标准不透明物体 ──
Pass {
    ZWrite On          // 写入深度
    ZTest  LEqual      // 深度 ≤ 缓冲区值时通过（默认）
    // 标准着色器...
}
 
// ── 案例 C：半透明物体（排序绘制，不写深度） ──
Pass {
    ZWrite Off         // 半透明不写深度，避免遮挡后面物体
    ZTest  LEqual      // 仍然读深度，被不透明物体遮挡
    Blend  SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
}

Execution Order

三者调用顺序详解

每个片元在写入帧缓冲前都要经历以下关卡，任意一关失败即被丢弃，不再进入后续步骤。

0

片元着色器输出

片元着色器计算完颜色和 alpha 值，准备进入测试流程。此时片元尚未写入任何缓冲区。

1

① Alpha 测试

比较片元 alpha 与参考值，不满足条件立即 discard。成本最低，丢弃最早，优先执行可节省后续模板/深度读写开销。

⚡ 在移动端 GPU 上，Alpha Test 可能破坏 Early-Z 优化（HSR），需权衡使用。

2

② 模板测试

读取模板缓冲区对应值，与参考值比较。通过则可选择更新缓冲区（KEEP / REPLACE / INCR ...），不通过则丢弃片元。

📌 模板缓冲区更新分三种情况：sfail（模板失败）、dpfail（深度失败）、dppass（深度通过）。

3

③ 深度测试

与深度缓冲区当前值比较，通过则写入新深度（如 ZWrite On），不通过则丢弃。深度测试是遮挡消除的核心机制。

🔍 Early-Z 是深度测试的提前版本，在光栅化阶段就做预剔除，但仅在着色器不含 discard / 修改深度时生效。

4

④ 混合 & 写入帧缓冲

三项测试全部通过后，片元进入混合阶段，按混合方程计算最终颜色，写入颜色缓冲区。

特性	Alpha 测试	模板测试	深度测试
比较基准	片元 alpha 值	模板缓冲区整数	深度缓冲区浮点
缓冲区	无（直接丢弃）	Stencil Buffer（8-bit）	Depth Buffer（16/24/32-bit）
主要用途	硬边镂空、透明裁剪	遮罩、描边、portal、反射裁剪	遮挡消除、前后关系
性能影响	可能破坏 Early-Z	需读写额外缓冲区	核心机制，Early-Z 加速
典型场景	树叶、铁丝网、头发	描边、镂空 UI、阴影体	所有不透明物体

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Combined Case

综合案例：带描边的镂空树叶

同时运用三种测试：Alpha 测试裁剪透明区域，模板测试实现描边，深度测试保证正确遮挡。

// 综合案例：镂空树叶 + 描边，三项测试全用上
 
Shader "Custom/LeafOutline" {
  Properties {
    _MainTex  ("Texture", 2D)   = "white" {}
    _Cutoff   ("Alpha Cutoff", Range(0,1)) = 0.5
    _OutlineW ("Outline Width", Float) = 0.03
    _OutlineC ("Outline Color",  Color)  = (1,1,0,1)
  }
 
  SubShader {
    Tags { "Queue" = "AlphaTest" }
 
    // ═══ Pass 1：渲染树叶本体 ═══
    Pass {
      Stencil {
        Ref  1
        Comp Always
        Pass Replace    // 树叶区域写 stencil=1
      }
      ZWrite On
      ZTest  LEqual
 
      CGPROGRAM
      // ① Alpha 测试：丢弃透明像素
      fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
      clip(col.a - _Cutoff);  // alpha < _Cutoff → discard
      // ③ 深度测试由 ZTest LEqual 自动处理
      return col;
      ENDCG
    }
 
    // ═══ Pass 2：描边（stencil≠1 才渲染） ═══
    Pass {
      Stencil {
        Ref  1
        Comp NotEqual    // ② 模板测试：只在树叶外围通过
        Pass Keep
      }
      ZWrite Off
      ZTest  LEqual
 
      CGPROGRAM
      // 顶点外扩 _OutlineW，输出描边颜色
      v.vertex.xyz += v.normal * _OutlineW;
      return _OutlineC;
      ENDCG
    }
  }
}

Summary

总结一句话记住它们

🔴

Alpha 测试

片元太透明就直接扔掉，硬边镂空的利器，顺序第一，代价最小。

🟢

模板测试

用一张整数图做"通行证"，可以画出任意形状的渲染范围，特效万能胶。

🔵

深度测试

近的盖住远的，Z-Buffer 记录最近深度，是 3D 场景不穿帮的根基。

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问题来了，那么Alpha测试，对应的是哪个缓冲区呢？

Alpha 测试没有对应的缓冲区

Alpha 测试是一种纯逻辑判断，它只读取片元着色器输出的 alpha 值，与一个参考值比较，然后做二选一：

if (alpha < cutoff) → discard（直接销毁这个片元）
else               → 继续往下走

没有任何缓冲区参与，不读也不写。片元要么活着进入下一关，要么就地消失。

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对比三者的缓冲区关系

测试	依赖的缓冲区	读？	写？
Alpha 测试	无	✗	✗
模板测试	Stencil Buffer（8-bit 整型图）	✓	✓（可选）
深度测试	Depth Buffer（24/32-bit 浮点图）	✓	✓（ZWrite On时）

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为什么 Alpha 测试排第一？

正因为它不涉及任何缓冲区读写，成本最低------只是一个 CPU 级别的数值比较，所以放在最前面，能早早剔除不需要的片元，减少后续模板缓冲和深度缓冲的读写压力。

一句话记住：Alpha 测试靠的是"值"，模板/深度测试靠的是"缓冲区"。