【笔记】【百人计划】图形3.5 Early-z和Z-prepass(preZ)

一、深度测试

  • fs-Alpha Test-Stencil Test-==Depth Test==

  • 解决物体可见遮挡性的问题

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因为测试阶段发生在fs之后，片元即便被丢弃，已经经过了fs中大量的无用的计算。

二、提前深度测试Early-Z

  • 解决过多不必要的片元计算问题
  • 光栅化-==EarlyZ==-fs-Alpha Test-Stencil Test-==Depth Test==
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  • EarlyZ也可以基于模板测试在着色前丢弃片元
  • EarlyZ剔除的最小单位不是1像素，而是像素块（2x2）

2.1 EarlyZ失效

通常在EarlyZ阶段不仅会进行深度测试，还会写入深度

  1. 开启ALpha Test或Clip/discard等手动丢弃片元操作
    • 如果手动丢弃片元，导致如果前面的片元丢弃了，深度仍然存在，后续的像素也会被丢弃。
  2. 手动修改GPU插值得到的深度
  3. 开启Alpha Blend
    • 开启Alpha Blend的物体一般不会开启深度写入ZWrite off
  4. 关闭深度测试Depth Test
  5. 开启Multi-Sampling：多重采样会影响周边像素，而EarlyZ无法得知周边像素是否被裁剪，无法提前剔除
  6. 以及其他任何导致需要混合后面颜色的操作

此外，Early-Z技术会导致**深度数据冲突（depth data hazard）**的问题

img

避免深度数据冲突的方法之一是在写入深度值之前，再次与frame buffer的值进行对比：

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2.2 高效利用EarlyZ

将不透明物体由近向远渲染，EarlyZ的优化效果最好

  • CPU进行深度排序
  • 场景复杂时，排序消耗增大。
  • 严格按照从近到远渲染，不能同时搭配合批优化手段
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三、使用Z-Prepass

  1. 在第一个pass即Z-Prepass中只写入深度，不计算输出任何颜色
    • 自动计算了最小深度的zbuffer，无需cpu排序
    • EarlyZ阶段也可以提升一点效率，虽然本来就没什么计算
  2. 第二个pass关闭深度写入，并且将深度比较函数设置为相等
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SubShader {
    Tags{"RenderType" = "Opaque"}
    //PreZ
    Pass {
        ZWrite On 	// 开启深度写入
        ColorMask 0 // 关闭颜色输出
        CGROGRAM
        ...//省略顶点变换部分
        ENDCG
    }
    //正常地计算输出颜色
    Pass {
        ZWrite Off	// 关闭深度写入
        ZTest Equal // 深度相等通过
        CGPROGRAM
        ...
        ENDCG
    }
}

四、Z-Prepass带来的问题

4.1 动态批处理问题

多pass的shader无法进行动态批处理-增加drawcall

解决方法：提前分离的PrePass

仍然使用两个pass

  1. 将原先第一个pass（Z-Prepass）单独分离出来为单独一个shader，并使用这个shader将整个场景的Opaque物体渲染一遍（写入深度）
  2. 原先材质只剩下原先的第二个Pass，仍关闭深度写入，并且深度比较函数设置为相等

两个pass都能够分别被批处理

4.2 Z-Prepass解决透明渲染

不写入深度的透明渲染会出现深度穿插错误的问题

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（无法看到透明物体的背面）

  • 如果要用Z-Prepass同时渲染物体背面
    • 需要先渲染背面，剔除正面
    • 在下一个pass渲染正面，剔除背面
    • 可用于头发渲染

4.3 其他问题

计算消耗

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权衡片元计算复杂性/overdraw与Z-Prepass的消耗，根据实际情况采用

五、Early-Z与Z-Prepass的实例应用

https://www.cnblogs.com/jaffhan/p/7382106.html

image-20220822161834083 image-20220822161855886

作业

  1. 做下preZ的效果测试

左边的狮子是preZ，右边的狮子是普通的Alpha。

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因为是透明渲染，所以自然而然会想到preZ的方法能否应用到之前深度测试的透视效果。

因为preZ记录了最前面的一个深度。透视，也就是说透明物体前面被遮挡住了，并且已经绘制了这个遮挡物体，那么就是遮挡物体的深度写入了深度缓冲。我们也就没有了被遮挡物体最近面的深度了。而之后要绘制出来，也要用Greater的判定方式，最终透明物体无法表现出自遮挡。

并且如果没有遮挡物的时候，物体自身最近片元就写入了深度。那么物体自己对自己形成遮挡，最后会发生没有遮挡时，绘制出了物体自身重叠部分。这种没有对透视效果做特殊处理，所以最后一次绘制物体自身的时候会覆盖（这是深度缓冲依然是物体自身最近距离，测试规则为LEqual）但是如果透视部分有特殊效果，那么正常的物体渲染可能会漏出这一部分。

总之结论就是，这个效果同一物体多pass的实现方法，无法用preZ来完成。

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  1. 总结earlyZ的限制

  • EarlyZ-失效

    • 开启ALpha Test或Clip/discard等手动丢弃片元操作
      • 如果手动丢弃片元，导致如果前面的片元丢弃了，深度仍然存在，后续的像素也会被丢弃。
    • 手动修改GPU插值得到的深度
    • 开启Alpha Blend
      • 开启Alpha Blend的物体一般不会开启深度写入ZWrite off
    • 关闭深度测试Depth Test
    • 开启Multi-Sampling：多重采样会影响周边像素，而EarlyZ无法得知周边像素是否被裁剪，无法提前剔除
    • 以及其他任何导致需要混合后面颜色的操作

  • 导致深度数据冲突

  • 为了最大利用EarlyZ按照从近到远顺序渲染，但CPU阶段排序耗时，且严格按照从近到远渲染不能同时搭配合批优化手段

参考资料

[1] https://www.bilibili.com/video/BV1FK4y1u7iw

【技术美术百人计划】图形 3.5 Early-z和Z-prepass

[2] https://www.bilibili.com/video/BV1aM4y1g75f

【技术美术百人计划】图形 2.7.2 GPU硬件架构概述

[3] https://www.cnblogs.com/timlly/p/11471507.html