图形 3.5 Early-z和Z-prepass

Early-z和Z-prepass

B站视频：图形 3.5 Early-z和Z-prepass

深度测试（Depth Test）

传统渲染管线中的深度测试

逐片元测试

解决物体可见遮挡性的问题

例如需渲染一紫一橙两个三角形（如下图）：

• 紫色三角形的深度值为5，与深度缓冲区中的默认值$\infty$进行比对，5小于$\infty$，故写入深度缓冲区中；
• 黄色三角形在渲染时，与深度缓冲区中的值进行比对，小于缓冲区的值则进行替换，最终结果如右图。

流程图

代码逻辑

//对每一个三角形
foreach(triangle T){
    //对每一个三角形中的片元
	foreach(fragment(x,y,z) in T){	
        //深度测试：如果片元深度小于ZBuffer深度
		if(fragment.z < ZBuffer[x,y]){
            //更新颜色
			FrameBuffer[x,y] = fragment.rgb;	
            //更新深度 
			ZBuffer[x,y] = fragment.z;		       
		} 
        //深度测试失败 
		else{					       	
			//什么都不做，片元数据被丢弃        
		}    
	}
}

带来的问题

未通过测试的片元将会被丢弃，导致片元的计算就白白浪费了，造成一些性能的问题。

提前深度测试（Early-Z）

传统渲染管线中的提前深度测试

提前深度测试（Early-Z）发生在光栅化之后，片元着色器之前。

还是上面的例子：

注：提前深度测试阶段仍然可以搭配模板测试（stencil test）使用

Early-Z失效

在以下几种情况下，Early-Z会失效：

1. 开启Alpha Test 或 clip/discard 等手动丢弃片元操作；

   还是以上图为例子，若物体1在shader中被手动discard了，物体1不会被渲染，但是其深度还在，Early-Z阶段会认为物体1仍然挡住了后续的物体，导致后续的物体2不能被正确的渲染出来。

2. 手动修改GPU插值得到的深度；

3. 开启Alpha Blend；

   进行透明度混合的物体，一般不会开启深度写入（ZWrite Off）。

4. 关闭深度测试Depth Test。

一旦进行了以上操作，那么GPU就会关闭early-z直到下次clear z-buffer后才会重新开启（不过现在的gpu也在逐渐优化，使其更智能开关early-z）。之所以gpu会选择关闭early-z是因为上述那些操作可能会在片元阶段与late-z阶段之间修改深度缓存中的深度值，导致提前的early-z的结果并不正确。我们也可以在fragment shader中使用layout（early_fragment_tests）来强制打开early-z。

高效利用Early-Z

如果将不透明物体从远至近进行渲染，Early-Z将不会带来任何优化效果。

此外，如果通过CPU将不透明物体从近至远排序，在场景十分复杂的情况下，将会带来额外的性能损耗，且可能导致合批操作无法正常进行。

Z-Prepass

方法一：双Pass法

• 在第一个Pass即Z-Prepass中仅仅只写入深度，不计算输出任何颜色；
• 在第二个Pass中关闭深度写入，并且将深度比较函数设置为相等（Equal）。

Shader "Custom/EarlyZPresentation"{   
    Properties{ 
        //.......
    }   
    SubShader{        
    	Tags { "RenderType"="Opaque" }        
    	//Z-Prepass部分        
    	Pass        
    	{        	
            //开启深度写入
        	ZWrite On	     
            //关闭颜色输出         
        	ColorMask 0	   
        	CGPROGRAM            
            	//...这里省略了单纯地顶点变换计算部分            
       	 	ENDCG        
    	}        
    	//正常地计算输出颜色的Pass        
    	Pass        
    	{        	
            //关闭深度写入       
        	Zwrite Off	     
            //深度相等为通过
        	ZTest Equal	            
        	CGPROGRAM           
            	//...这里省略了顶点变换和颜色等计算部分            
        	ENDCG        
    	}    
    }
}

动态批处理的问题

一个物体的材质球shader若是多Pass，则无法参与合批，带来Drawcall问题。

方法二：提前分离的PrePass

仍然使用两个Pass，但：

• 将原先第一个Pass（即Z-Prepass）单独分离出来为单独一个Shader，并先使用这个Shader将整个场景的Opaque的物体渲染一遍；
• 而原先材质只剩下原先的第二个Pass，仍然关闭深度写入，并且将深度比较函数设置为相等。

使用URP下的RendererFeature

透明渲染的解决方案

Z-Prepass也是透明渲染的一种解决方案，可防止复杂的半透明物体内部深度穿插的问题。

Z-Prepass的计算消耗

引用国外论坛的帖子。

因此是否使用Z-Prepass因根据项目实际情况去使用，例如在一个场景中有非常多的OverDraw，且不能很好的将不透明物体从前往后进行排序，那么使用Z-PrePass的计算消耗要远小于这些OverDraw。

Early-Z 和 Z-Prepass的实例应用

面片叠加的头发渲染

如下图，该头发效果有多个半透明面片构成，需要从后往前进行排序渲染才能得到正确的透明度混合结果。

最初方案

有三个Pass：

• 第一个Pass处理不透明的部分。
  • 开启透明度测试，仅通过不透明的像素；
  • 关闭背面剔除；
  • 开启深度写入，并将深度测试通过条件为小于（Less）；
• 第二个Pass处理半透明的背面部分。
  • 开启透明度测试，仅通过半透明的像素；
  • 剔除正面部分；
  • 关闭深度写入，并将深度测试通过条件为小于（Less）；
• 第二个Pass处理半透明的正面部分。
  • 开启透明度测试，仅通过半透明的像素；
  • 剔除背面部分；
  • 关闭深度写入，并将深度测试通过条件为小于（Less）；

性能改善

• 广泛使用Early-Z，以避免计算消耗巨大的片元着色器；
• 通常一半的头发都藏在头的后面；
  • 先将头部渲染出来
• 使用透明度测试时，无法使用Early-Z；
  • 解决方案：使用一个简单的shader进行透明度测试，形成一个Z-Buffer（即为Z-PrePass）
  • 在后续测试中使用深度测试，而不是透明度测试，以实现相同的效果
• Early-Z节省相当多的开销。

优化的方案

有四个Pass：

• 第一个Pass写入深度。
  • 开启透明度测试，仅通过不透明的像素；
  • 关闭背面剔除；
  • 开启深度写入，并将深度测试通过条件为小于（Less）；
  • 不写入任何颜色；
  • 使用简单的片元着色器，仅返回透明度；
• 第二个Pass处理不透明的部分。
  • 关闭背面剔除；
  • 关闭深度写入，并将深度测试通过条件为等于（Equal）；
• 第三个Pass处理半透明的背面部分。
  • 剔除正面部分；
  • 关闭深度写入，并将深度测试通过条件为小于（Less）；
• 第四个Pass处理半透明的正面部分。
  • 剔除背面部分；
  • 关闭深度写入，并将深度测试通过条件为小于（Less）；