3.1 模板測試和深度測試
一、開始前，先看一下舉例來理解
1。引例
左圖為顏色緩衝區中的一張圖，在模板緩衝區中我們會給這張圖的每一個片元分配一個0-255的數字（8位，預設為0）
中、右圖可以看到，我們修改了一些0為1，透過自定義的一些準則，如輸出模板緩衝區中1對應的片元的顏色；0的不輸出，最後透過模板測試的結果就如右圖所示
2。透過模板測試的應用，實現的效果舉例
①傳送門效果：可以看到左邊傳送門內的景象正是右側的場景
②Minions講解的一些效果，例如3D卡牌效果、偵探鏡效果等
連結：
https：//www。
patreon。com/posts/14832
618
③每個正方體面顯示不同場景（每個面作為蒙版來顯示場景）
3。理解
對於上述的例子總結一下，這些效果基本可以歸結為三層組成
以②中的傳送門為例子，三層分別對應：門外場景、門內場景、門
也就是說可以理解為：包括兩層物體/場景、和一層遮罩
二、什麼是模板測試
1。從渲染管線理解
下圖為從片元著色器到FrameBuffer的流程（逐片元操作）
PixelOwnershipTest：
簡單來說就是控制當前螢幕畫素的使用許可權
e。g。：遊戲引擎僅渲染遊戲視窗
ScissorTest（裁剪測試）：
在渲染視窗再定義要渲染哪一部分
和裁剪空間一起理解，也就是隻渲染能看到的部分
e。g。只渲染視窗的左下角部分
AlphaTest（透明度測試）
提前設定一個透明度預值
只能實現不透明效果和全透明效果
e。g。 設定透明度a為0。5，如果片元大於這個值就透過測試，如果小於0。5就剔除掉
StencilTest（模板測試）
DepthTest（深度測試）
Blending（透明度混合）
可以實現半透明效果
完成接下來的其他一系列操作後，我們會講合格的片元/畫素輸出到幀緩衝區（FrameBuffer）
逐片元操作是可以配置但不可程式設計的（對應圖中為黃色背景），也就是說是由管線/硬體自身規定好的，我們只能對裡邊的內容進行配置。
2。從邏輯上理解
理解：
referenceValue：當前模板緩衝片元的參考值
stencilBufferValue：模板緩衝區裡的值
中間的comparisonFunction，就是做一個比較
結果：
如果透過，這個片元就進入下一個階段
未透過/拋棄，停止並且不會進入下一個階段，也就是說不會進入顏色緩衝區
總結：就是透過一定條件來判斷這個片元/片元屬性執行保留還是拋棄的操作
3。從書面概念上理解
模板緩衝區-FrameBuffer
模板緩衝區可以為螢幕上的每一個畫素點儲存一個無符號整數值（通常為8位int 0-255）。
這個值的意義根據程式的具體應用而定。
模板測試
渲染過程中，可以用這個值與預先設定好的參考值作（ReferenceValue）比較，根據結果來決定是否更新相應的畫素點的顏色值。
這個比較的過程就稱為
模板測試
。
模板測試在透明度測試之前後，深度測試之前。
如果模板測試透過，相應的畫素點更新，否則不更新。
三、基本原理和使用方法
1。語法表示/結構解釋
Ref
：當前片元的參考值（0-255）
ReadMask
：讀掩碼
WriteMask
：寫掩碼
Comp
：比較操作函式
Pass
：測試透過，之後進行操作（StencilOperation，後邊有詳細講解）
Fail
：測試未透過，也會進行一個操作
ZFail：
模板測試透過，深度測試未透過
2。ComparisonFunction
我們可以根據需求配置
3。StencilOperation 更新值
有不同的更新操作，根據自己的需求進行配置
四、Demo效果展示和講解
1、案例一：3D卡牌效果
注：Unity中模板緩衝區預設都是0
在材質中將ReferenceValue改為0時的效果（模型直接擺放的效果）
課程shader截圖
①蒙版的shader
程式碼截圖
程式碼理解
只有一個int型別的屬性，命名了一個ID
渲染型別為不透明物體，佇列為Geometry+1（預設的不透明物體後進行蒙版的渲染）
ColorMask 顏色遮罩，0就是什麼都不輸出（是高度可配置的，可以改為RGBA（沒有遮罩）、輸出單通道R、G、 B）
ZWrite off 關閉深度寫入，防止顯示的東西被深度剔除（後邊深度測試細講）
Stencil { } 模板測試部分
Ref ［_ID］ 索引值就是前邊屬性宣告的ID
Comp always //預設比較
Pass replace //預設是keep
Fail、ZFail，不寫的話都是預設值，如程式碼所示
後續就是頂點、片元著色器
顏色給一個half4的就行，因為前邊已經ColorMask0了（什麼都不輸出）
②物體的shader
程式碼截圖
程式碼理解：
除了自身的屬性之外，同樣給了一個ID
渲染型別為不透明物體，佇列為Geometry+2（前邊蒙版後渲染）
Stencil {} 模板測試部分：
Ref ［_ID］ 同上
Comp equal ，當給定的索引值和當前模板緩衝區的值相等時，才會渲染這個片元。
後續不寫就是預設值
後邊就是自身的光照模型、顏色渲染等
③實現思路梳理
前提：Unity的模板緩衝區的預設值是0
預設物體（mask外邊的物體）的索引值也設為0，Comp設為always，也就是比較是一直透過的，且保持保持模板緩衝區的值不變（不進行模板測試操作的物體渲染完之後，模板緩衝區的值還是0）
然後開始渲染蒙版（mask）
mask的設定Comp也是always，但是不同的是：ID給了1（屬性部分定義），並且Pass的設定為replace，也就是說mask所在的模板緩衝區的值變成了1。
到這裡，總結一下，mask外的物體 值是0，mask的值是1
最後是mask裡邊的物體。
mask的模板測試是這樣的：ID是1，Comp是equal。翻譯一下就是：模板緩衝區的值為1，比較的條件是相等
此時，裡邊物體的模板緩衝區的值是1，外邊物體的模板緩衝區是0，Comp的條件是相等，結果很明顯不相等，這樣的效果就是：除mask顯示的部分，外邊的場景不渲染。
回顧前邊，我們mask的緩衝區的值也為1，通過了測試，所以mask部分（卡牌部分）渲染了出來。
2。案例二：盒子不同面顯示不同場景
實現思路
和卡牌效果類似，一個用蒙版遮罩的物體，盒子每個面用一個蒙版遮罩
同樣利用預設的值為0來做，只是面多了，蒙版和裡邊顯示的物體也多了，ID依次為1、2、3、4
蒙版對應物體同一個ID，最終的效果也就是在對應的蒙版顯示相應的物體
shader
屬性和模板測試部分程式碼截圖
程式碼理解：
屬性中使用了一個內建的列舉，這樣就可以在外邊自己選擇可配置的屬性了
五、模板測試的總結
最重要（用來比較的）兩個值：
當前模板緩衝區值（StencilBufferValue）
、
模板參考值（ReferenceValue）
模板測試主要就是對這兩個值進行特定的比較操作，例如Never、Always、Equal等，具體參考上文的表格
模板測試後，要對模板緩衝區的值進行更新操作，例如Keep，Replace等，具體參考上文表格
模板測試之後，可以透過不同的結果對模板緩衝區做不同的更新操作，例如模板測試成功的操作Pass、模板測試失敗的操作Fail、深度測試失敗的操作ZFail、還有正對正面和背面更新操作Passback，Passfront，Failback等。。。
六、擴充套件及參考資料
1。擴充套件用法
描邊操作
多邊形填充
反射區域控制
shadow volume陰影渲染
2。參考資料
https：//
blog。csdn。net/u01104717
1/article/details/46928463
https：//
blog。csdn。net/liu_if_el
se/article/details/86316361
https：//
gameinstitute。qq。com/co
mmunity/detail/127404
https：//
learnopengl-cn。readthedocs。io
/zh/latest/04%20Advanced%20OpenGL/02%20Stencil%20testing/
https：//www。
patreon。com/posts/14832
618
https：//www。
udemy。com/course/unity-
shaders/
一、什麼是深度測試
幫助我們處理物體的遮擋關係
1。從渲染管線理解
深度測試同樣位於逐片元操作過程中，在模板測試之後，透明度混合之前。
2。從邏輯上理解
理解：
和模板測試差不多，都是透過一個比較來判斷一系列操作
圖1：
如果ZWrite On，且當前深度值和深度緩衝區的值作比較，如果透過就寫入深度，不透過就忽略深度
圖2：
當前深度值和深度緩衝區中的值做比較，如果透過就寫入顏色緩衝區，不透過就不寫入顏色緩衝區
3。從書面概念上理解
所謂深度測試，就是針對當前螢幕上（更準確的說是FrameBuffer）對應的畫素點，將物件自身的深度值與當前深度緩衝區的深度值做比較，如果通過了，這個物件在該畫素點才會將顏色寫入顏色緩衝區
4。從發展上理解
我們要渲染一個場景的話，通常會有多個物體。
首先要
控制渲染順序
畫家演算法：
這是是指油畫的畫法，也就是畫一幅油畫，是從遠處開始畫，然後近處的東西一點點疊加在上面（GAMES系列的課提到過多次）
存在的問題：例如一列物體，最前面的物體最大，站在正前面看只能看到最前面的物體，這樣一來後邊的就不用畫了，不然就是效能浪費。
Z-Buffer演算法：
透過深度緩衝區來控制渲染順序
控制Z-Buffer對深度的儲存
例如：什麼時候更新深度緩衝區、什麼時候使用深度緩衝區
兩個典型的功能：
Z Test
Z Write
具體後邊會講
控制不同型別物體的渲染順序
透明物體
不透明物體
渲染佇列（很有用的概念，後邊會講）
減少OverDraw
Early-Z，一種最佳化手段，後邊會講
Z-cull
Z-check
二、基本原理和使用方法
1。Z-Buffer（深度緩衝區）
和顏色緩衝區一樣，在每個片段中儲存了資訊，並且通常和顏色緩衝有著一樣的寬度和高度
顏色緩衝區
：
就是最終在顯示屏硬體上顯示顏色的GPU視訊記憶體區域了，這個緩衝區儲存了每幀更新後的最終顏色值，圖形流水線經過一系列測試，包括片段丟棄、顏色混合等，最終生成的畫素顏色值就儲存在這裡，然後提交給顯示硬體顯示。
深度緩衝是由視窗系統自動建立的，它會以16、24、32位float形式儲存深度值。大部分系統中深度值是24位的
Z-Buffer中儲存的是當前的深度資訊，對於每個畫素儲存一個深度值。
透過Z-Write 、Z-Test來呼叫Z-Buffer，來達到想要的渲染效果
2。Z Writer（深度寫入）
深度寫入包括兩種狀態
ZWrite On 、 ZWrite Off
當我們開啟深度寫入，物體被渲染時針對物體在螢幕（FrameBuffer）上每個畫素的深度都寫入到深度緩衝區。
關閉深度寫入狀態，物體的深度就不會寫入深度緩衝區。
除了ZWrite的是否寫入深度緩衝區，更重要的是：是否透過深度測試，也就是Z-Test
如果Z-Test都沒透過，也就不會寫入深度了。
也就是說，只有ZTest和ZWrite都可行的情況下才寫入深度緩衝區
綜上，ZWrite有On、Off兩種情況；ZTest有透過、不透過兩種情況，兩者結合的四種情況如下：
3。Z-Test的比較操作
預設：ZWrite On、ZTest LEqual
深度緩衝一開始為無窮大
4。渲染佇列
Unity內建的幾種渲染佇列
：
按照渲染順序從先到後排序，佇列數越小，越先渲染；反之同理。
Unity中設定渲染佇列
：
語法：Tags { “Queue” = “Transparent”}
預設是Geometry
Unity中不透明物體的渲染順序：從前往後
也就是說深度小的先渲染，其次再渲染深度大的
Unity中透明物體的渲染順序：從後往前（類似畫家演算法，會造成OverDraw）
可以在shader的Inspector面板中檢視渲染佇列相關屬性
5。簡述Early-Z技術
是位於三角形遍歷之後、逐片元操作之前的。
傳統的渲染管線中，ZTest是在Blending階段，這時進行深度測試的話，所以物件的畫素著色器都會計算一遍，沒有效能提升，只是為了得到正確的效果，造成了大量的無用計算。（深度測試失敗的片元是已經經過計算的，到這一步不透過被拋棄，那麼前邊的計算就是無用功了）
為了減少這些不必要的計算，現代GPU運用了Early-Z技術，在頂點和片元階段之間（光柵化之後，片元著色器之前）進行一次深度測試（如下左圖黑框部分）。
如果這次深度測試失敗，那就不用在片元著色器中作無關緊要的計算了，這樣一來就會帶來效能提升。
最終的ZTest仍然要進行，以保證正確的遮擋關係。
如右圖前一次的Z-Cull是為了裁剪達到效能最佳化的目的，後一次的Z-check是為了保證正確的遮擋關係。
6。深度值
正確的理解深度值的概念
首先先了解一下模型在渲染管線中的幾次空間變換
模型一開始所在的模型空間：
無深度。
透過M矩陣變換到世界空間，此時模型座標已經變換到了齊次座標（x，y，z，w）：
深度存在z分量
。
透過V矩陣變換到視察空間（攝像機空間）：
深度存在z分量（線性）
透過P矩陣變換到裁剪空間：
深度緩衝中此空間的z/w中（已經變成了非線性的深度）
最後透過一些投影對映變換到螢幕空間
為什麼深度緩衝區中要儲存一個非線性的深度？
詳細連結
https：//
learnopengl-cn。readthedocs。io
/zh/latest/04%20Advanced%20OpenGL/01%20Depth%20testing/
原因1：給近處更多的精度
在深度緩衝區中的深度值是介於 0。0~1。0之間的，從觀察者看到的內容與場景中所有物件的z值作比較。
這些z值可以投影平截頭體（就是視錐）的近平面和遠平面之間的任何值。
//補充：
平截頭體
：又稱視景體、視錐，是三維世界中在螢幕上可見的區域，即虛擬攝像機的視野
下圖中紅框的位置是平截頭體，就是攝像機拍攝的範圍。
貼上維基百科：
https：//
zh。wikipedia。org/wiki/%
E8%A7%86%E4%BD%93
要轉換這些檢視空間的z值到［0，1］範圍內，方法之一就是線性轉換，具體如下圖
然而實踐中幾乎不使用線性深度緩衝區，正確的投影特性的非線性深度方程是和1/z成正比的。這樣一來會有如下效果：在Z很近的時候有高精度，Z很遠的時候低精度，這符合我們生活中的情況，具體如下圖
其實可以回想前幾節課中伽馬校正部分對比理解一下，也是根據實際情況（人眼特性），給暗部更多的精度，這裡是近處給更多精度。
另一個原因：深度衝突（Z-Fight）
當兩個平面或三角形緊密相互平行的時候，深度緩衝區不具有足夠的精度來確定哪一個考前。
結果就是這兩個形狀不斷切換順序，導致怪異問題，看起來像是兩個形狀在爭奪靠前的位置。
這就被稱為
深度衝突
。
深度衝突是深度緩衝區的普遍問題，當物件的距離越遠一般越強（因為深度緩衝區在z值非常大的時候沒有很高的精度）
深度衝突無法避免，但是有技巧可以防止出現：
物理上的做法，就是讓物體不要靠得太近。
儘可能的把近平面設定的遠一點。
放棄一些效能來得到更高精度的深度值。
五、Demo效果展示和講解
1。案例一：三個正方體遮擋關係
場景中有三個正方體，並賦予了不同的顏色。正常的情況應該是從前到後依次為藍、綠、紅
圖1詳解：
梳理渲染過程：
沒渲染時，此時Unity的深度緩衝區預設值為無窮大
渲染藍色正方體
相對於預設深度緩衝區的無窮大，肯定是小於等於，所以測試透過
渲染綠色正方體
此時藍色物體位置的深度緩衝區的值已經不是無窮大了，其它位置還是
注：深度緩衝區和顏色緩衝區都是相對於片元來講的（片元可以理解為未完成的一個畫素，還處於渲染管線中的畫素）
綠色正方體進行深度測試，深度測試同樣是LessEqual，並且綠色的深度值比藍色正方體的大。
結果就是：兩個正方體重疊部分是大於深度緩衝區的，也就是測試不透過，所以重疊部分沒有寫入綠色，還是藍色的
沒有重疊部分，深度當然比無窮大小，所以寫入， 渲染出來了綠色正方體未重疊的部分。
紅色同理。
圖2詳解：
梳理渲染過程：
設定：將藍色正方體的深度寫入ZWrite 關掉了；
思路：第一個藍色正方體的渲染時，測試透過，但是並沒有寫入深度。
也就是說，渲染完藍色正方體時，深度緩衝區的值還是無窮大。
這就是藍綠重疊部分，顯示綠色的原因。
圖3詳解：
相較於圖2，只是把綠色正方體的ZTest改為了always
無論是LessEqual還是always，測試都透過，所以效果和圖2一樣
圖4詳解：
將紅色正方體的ZTest也改為了always，這樣一來紅色正方體的深度測試也是一直透過，並且寫入。
因為是從前往後渲染的，所有依次為藍、綠、紅，深度緩衝區中的值也是後邊渲染的
可以理解為後邊遮住前邊的效果。
圖5詳解：
相對於圖4，改變了綠色正方體的渲染佇列為Geometry+1
此時的幀緩衝區面板如下
儘管綠色正方體在紅色正方體前面，因為佇列+1，它的渲染順序變為了紅色正方體後
也就是說，渲染佇列優先順序 > 透明物體的渲染順序（從前到後）
圖6詳解：
相對於圖1，將綠色正方體的ZTest改為了Greater，
也就是說藍色正方體和綠色正方體重疊部分，大於模板緩衝區的部分透過測試，寫入模板緩衝區
結果就是重疊部分為綠色，而未重疊部分的深度當然小於無窮大，所以沒透過測試，自然也就不渲染。
紅色部分正常。
shader截圖
2。案例二：X-Ray效果
實現思路：
分為三部分：前邊的牆、被牆擋住的X-Ray效果部分、高出牆部分的物體
回想一下前邊6張圖，哪張圖是前邊渲染完，後邊渲染顯示在先渲染完前邊的？ ——->圖6
也就是說，X-Ray效果部分我們使用到了ZTest ：Greater，深度寫入關閉
高出牆體部分是預設的渲染：LessEqual、ZWrite On
shader截圖
程式碼理解
寫CGINCLUDE的好處：將頂點和片元著色器寫在裡邊，在多passshade的時候，直接呼叫就可以了。
X-Ray繪製部分
和之前實現思路相同，ZWrite Off，ZTest Greater
Cull back 是剔除背面，為了最佳化
Blend SrcAlpha One ：由於有一個透明的效果，除了上邊的，還需要一步Blend，來做透明度混合
渲染型別和渲染佇列為Transparent
正常繪製部分略
案例三、粒子系統中的深度測試
建立一個粒子系統ParticleSystem，可以看到預設的是透明的
為了理解，我們自己建立一個材質，給到粒子上
此時粒子系統變成了這樣
建立一個shader（Unlit），把粒子的貼圖選上，附到材質上，效果如下（是不透明的），這顯然不是我們要的效果
開啟shader修改程式碼
首先回顧前邊說的：Unity中預設的ZWrite On、ZTest是LessEqual、渲染佇列是Geometry
我們想要讓粒子透明，就需要做如下配置
渲染佇列改為透明物體的渲染佇列：Transparent
ZWrite Off，對於透明物體，是有相互疊加關係的，所以關掉寫入
ZTest 預設（LessEqual），對於透明物體是這樣的：如果透明物體前有不透明物體，此時 透明物體看不到；如果透明物體後面有不透明物體，此時透明物體可以看到。
要渲染透明物體，還要進行Blend操作：Blend One One（加法混合，疊加效果的顯示）
修改完成後效果如下：（正是我們想要的效果）
七、深度測試的總結
最重要的兩個值：當前深度緩衝區的值（ZBufferValue） 和 深度參考值（ReferenceValue）。透過比較操作還實現理想的渲染效果
Unity中的渲染順序
：
先渲染不透明物體（從前到後），再渲染透明物體（從後往前）
透過對ZWrite和ZTest的相互組合配置來控制半透明物體的渲染（關閉深度寫入，快開啟深度測試，透明度混合）
引入Early-Z之後深度測試相關的內容（Z-Cull、Z-Check）
深度緩衝區中儲存的深度值為［0，1］的非線性值
八、擴充套件及參考資料
1。深度測試的擴充套件用法
基於深度的著色
如：湖水的效果
陰影貼圖（shadowma）
比較攝像機空間和燈光空間的深度值得到陰影範圍
透明物體、粒子渲染
透視X-Ray效果
切邊效果
2。參考資料
https：//
blog。csdn。net/puppet_ma
ster/article/details/53900568
https：//
learnopengl-cn。readthedocs。io
/zh/latest/04%20Advanced%20OpenGL/01%20Depth%20testing/
https：//
docs。unity3d。com/cn/201
8。4/Manual/SL-CullAndDepth。html
https：//
blog。csdn。net/yangxuan0
261/article/details/79725466
https：//
roystan。net/articles/to
on-water。html
《shader入門精要》
《Unity ShaderLab 開發實戰詳解》
補充
深度測試是做特效永遠繞不開的話題
模板測試實際專案中應用的相對較少，建議能不用盡量不用（佔用一個buffer的記憶體？）
作業：根據課程內容，用深度測試和模板測試做些有意思的效果
Emmm目前的段位只能做一些簡單的效果
1。【模板測試部分】嘗試還原一下不同正方體面的不同場景顯示。
實現思路：
也是分為兩個shader，分別是蒙版和物體
蒙版部分和課程內的相同，同樣定義了一個ID方便後邊操作
物體部分在模型著色的基礎上加上了模板測試相關的程式碼
重點也就是ID的設定，第一個面的蒙版和物體ID設為1；第二個面的蒙版和物體ID設為2。僅此而已
效果如下：
