一、深度测试：Depth Test

1.回顾深度测试的内容

• 深度测试位于渲染管线哪个位置
  ○ 深度测试位于逐片元操作中、模板测试后、透明度混合前
  

为什么做深度测试

● 深度测试可以解决：物体的可见遮挡性问题
○ 我们可以用一个例子说明

■ 图的解释：
● 首先先渲染紫色三角形，紫色三角形的深度值为5，当渲染它的时候，它与深度缓冲区中的∞做比较，因为默认的test比较条件为LEqual，所以5小于∞，并且写入了深度缓冲器
● 之后进行黄色三角形的渲染，和上一步同理，会进行深度对比并进行相关操作，渲染完成后的结果如右图下边所示

深度测试流程图

● 具体每一步都可以对应之前讲的笔记理解

深度测试的逻辑/伪代码

2.深度测试带来的问题

● 前边已经说过很多次了，就是性能浪费、OverDraw

● 简单地概括就是
○ 在深度测试前计算过的片元，有一些通过不了深度测试将会被直接抛弃（图中的红色片元），那么之前做得计算就都是无效计算了。
● 这个问题的解决方法就是：early-z，先进行取舍，然后进入测试。

二、提前深度测试：early-z

1.Early-Z的内容

● 是在传统管线中的光栅化阶段之后、片元着色器之前加的一步操作。

○ 图中的例子：
■ 片元1写入深度后，在渲染片元2、3的时候，会进行提前深度测试（z-cull），因为没有通过，所以这两个片元不会被计算
● 区分两次深度测试
■ 提前的深度测试叫作Z-Cull
■ 后续的深度测试为了确定正确的遮挡关系，叫作Z-Check
○ 也就是在计算之前就做一次深度测试，如果不通过就直接不计算了，这样就避免了无效的计算
● 补充：
○ Early-Z同样可以搭配使用模板测试

2.Early-Z失效的情况

● ①开启Alpha Test 或 clip/discard等手动丢弃片元操作
○ 通常Early-Z不仅会进行深度测试，还要进行深度写入
○ 例如以下情况：
■ 如果经过AlphaTest，前面渲染的片元被丢弃了（但写入了深度），那么后续的像素都将无法正常渲染。
● ②手动修改GPU插值得到的深度
○ 类似上述情况
● ③开启Alpha Blend
○ 开启了透明度混合不会开启深度写入，也就不符合Early-Z了
● ④关闭深度测试
○ 都关了还测试啥

3.高效利用Early-Z

• 不透明物体由远往近渲染，early-z将没有任何优化效果
  ● 在渲染前，将不透明物体从近往远渲染的话，Early-Z能发挥最大的性能优化
  ● 具体怎么排序？
  ○ ->可以让cpu将物体按照由近到远的顺序排好，再交付给gpu进行渲染
  ○ 问题：
  ■ 复杂的场景，cpu性能消耗很大
  ■ 严格按照由近到远的顺序渲染，将不能同时搭配批处理优化手段。
  ● 有没有其他方法？ ->pre-z

三、使用 Z-Prepass（Pre-Z）

1.方式1：双pass

• 内容
  ● 使用两个pass
  ○ pass1：Z-prepass中仅仅写入深度，不计算输出任何颜色。目的只是为了深度值写入缓冲区
  ○ pass2：关闭深度写入，将深度比较函数改为相等，进行正常的透明度混合（AlphaBlend）
  ● 效果：
  ○ 每个物体都会渲染两个pass，且所有物体的z-prepass的结果就自动形成了一个最小深度值的缓冲区Z-buffer，无需cpu进行排序
  ● 代码：
  
  问题1：动态批处理
  ○ 多pass shader无法进行动态批处理 —> Draw Call问题
• 问题2：Draw Call
  ○ 使用z-prepass shader 的物体，draw call会多一倍

2.方式2：提前分离的Prepass

用于解决DrawCall问题

• 内容
  ● 仍然使用两个pass
  ○ 将pass1的z-prepass单独分离出一个shader，并用这个shader将场景的不透明物体先渲染一遍
  ○ 原来shader中的pass，仍然关闭深度写入，深度比较函数仍然为相等，进行正常的透明度混合
  -勘误
  ● //摘自评论区：
  ● URP的SRP batch做的合批是不会减少Draw Call的
  ○ 他的最大的优化在于合并set pass call，减少set pass call的开销
  ○ 因为CPU上的最大开销来自于准备工作（设置工作）
  ○ 而非DrawCall本身（这只是要放置GPU命令缓冲区的一些字节而已），draw call是不会减少的

3.Pre-Z也是透明渲染的一种解决方案

● 这样会存在一个问题：无法看到透明物体的背面
● 解决方法：透明物体的双面渲染
○ 核心思路：将渲染分为正面背面两部分
○ pass1：
■ 只渲染背面（cull front）
○ pass2
■ 只渲染正面（cull back）
○ 由于Unity会顺序执行Subshader中的各个Pass，所以我们可以保证背面总是在正面被渲染之前渲染，来得到正确的深度渲染关系

四、Z-prepass的其他问题
1.Z-prepass的性能消耗是否能被忽视
● 国外论坛一位名为lipsryme的老哥做了一项实验：

○ 可以看到，Z-prepass的消耗为2.0ms，而带来的优化只减少了0.3ms（2.7-2.4）
○ 后续讨论中，发现Z-prepass是需要根据项目的实际情况来决定是否采用的。
● 总结有以下建议
○ 当一个有非常多OverDraw的场景，且不能很好的将不透明物体从前往后进行排序时，可以考虑使用PreZ进行优化
○ 注意，PreZ会增加DrawCall，如果用错了可能是负优化

五、Early-Z 和 Z-prepass的实例应用

1.面片叠加的头发渲染

● 对于半透明的面片来说，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

2.排序后的头发渲染

●
● 分为3个pass
○ pass1
■ 处理不透明部分，开启Alpha test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
○ pass2
■ 剔除正面，渲染背面
○ pass3
■ 剔除背面，渲染正面
● 问题：会带来非常多OverDraw的问题

3.性能改善

● 使用Early-Z剔除
● 透明度测试开启时Early-Z无法使用的解决方案：
○ 使用一个简单的shader进行透明度测试形成 Z-Buffer，（就是我们上边说的提前分离的z-prepass）

4.改善的渲染方案

● pass1：准备Z-Buffer
○ 开启透明度测试
○ 关闭背面剔除
○ 开启深度写入，深度测试设置为less
○ 关闭颜色缓冲区写入
○ 用于一个简单的片元着色器来返回透明度值
● pass2、pass3、pass4参考之前排序后的头发渲染部分，同理

六、其他参考资料

● https://www.cnblogs.com/ghl_carmack/p/10166291.html —深入剖析GPU Early Z优化

七、总结Early-Z的限制

● 适用情况：
○ Early-Z适用于OverDraw很高的情况
● 会失效的情况：
○ ①开启Alpha Test 或 clip/discard等手动丢弃片元操作
○ ②手动修改GPU插值得到的深度
○ ③开启Alpha Blend
○ ④关闭深度测试
● 如何生效？
○ Early-Z属于硬件优化，如果硬件支持会自动开启