百人计划-图形-3.5 Early-Z 、Z Prepass（Pre-Z）

深度测试：Depth Test

渲染管线位置

深度测试位于逐片元操作中、模板测试后、透明度混合前

深度测试解决什么问题

解决物体可见遮挡性的问题✊

深度测试流程

深度测试伪代码

// 遍历每个三角形
for(each triangle T)
{
    // 遍历三角形中的每个片元
    for(each fragment(x, y, z) in T)
    {
        // 深度测试，这里深度运算符可配置
        if(fragment.z < ZBuffer[x, y])
        {
            // 深度测试通过，写入颜色值到缓冲中
            FrameBuffer[x, y] = fragment.rgb;
            // 如果开启深度写入，会覆盖深度缓冲区
            ZBuffer[x, y] = fragment.z;
        }
        else
        {
            // 深度测试未通过，丢弃片元
        }
    }
}

深度测试带来的问题

OverDraw问题
片元进行了着色计算，却因为深度测试不通过被舍弃，白计算了
可以在CPU端对物体排序，保证离相机近的物体在前面。但物体一多排序也会造成性能损耗，需要Trade-off
由于光栅化阶段已经知道深度了，所以一个简单的构想是在片元着色器前进行一个Early-Z（额外的深度测试）

提前深度测试：Early-Z

什么是Early-Z

从渲染管线看，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
案例：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
- 提前深度测试可以避免无效着色计算
Early-Z同样可以搭配使用模板测试

Early-Z失效

Early-Z并不能完全解决OverDraw问题，下面情况下会导致失效

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
- 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
手动修改GPU插值得到的深度
开启Alpha Blend（透明度混合需要关闭深度写入）
关闭深度测试

高效利用Early-Z

如果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
- 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
- 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

Z-Prepass（Pre-Z）

理解

深度测试就是为了确认有哪些片元能显示在屏幕上，但它不管多少片元参与计算，如果能提前知道谁该显示，那就能避免那些看不见的片元做无用功了。

而Pre-Z就是来做这项工作的，当然它也会需要一定的计算量。

做法1：双PASS

流程
- 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，进行正常的着色计算
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
问题
- 多pass shader无法进行动态批处理，无法有效减少Draw Call
- 使用Z-Prepass shader 的物体，Draw Call会多一倍

做法2：提前分离的Prepass

流程
- 将pass1的Z-Prepass单独分离出一个shader，并用这个shader将场景的需要Prepass的物体先渲染一遍
- 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，进行正常的着色计算
参考：雨松大佬文章
这样做法还有个好处是能利用上URP的SRP Batch，不会打断合批
- SRP Batch最大的优化在于合并set pass call，减少set pass call的开销，而并非能减少DrawCall
- 合批相关知识可看这篇：https://zhuanlan.zhihu.com/p/432223843

Pre-Z也是透明渲染的一种解决方案

单Pass由于关闭深度写入，同一个模型的遮挡关系就不能保证了
但使用Pre-Z会导致：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

Z-Prepass的其他问题

Z-prepass的性能消耗是否能被忽视

Z-Prepass的耗时比优化出来的耗时更多
需要根据项目实际情况使用
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

URP中的Pre-PASS

2021版本URP新出了Depth Priming选项，可以自动实现pre-pass，需要着色器有DepthOnly
一些限制与不建议使用的场景：
- 只能在Forward前向渲染路径中使用，且需要着色器有DepthOnly
- 场景不复杂，Overdraw不是造成GPU效率的瓶颈时
- 手机上Depth Priming与MSAA同时开启带来的开销比Overdraw带来的开销还要大时
- DrawCall或其他图形api调用的开销比Overdraw带来的开销还要大时

Early-Z 和 Z-prepass的实例应用

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

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

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

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如图所示

参考文章

参考资料

作业

做一下Pre-Z的效果测试

先偏个题，实现下之前没做的X-Ray效果

由于使用了两个Pass，SRP-Batch失败了，可能有更适合URP的方案，后面再研究下。

然后是很常见的功能：

当主角走到建筑物背后时，建筑物需要透明化。

半透明效果很适合Pre-Z，因为如果是复杂模型的话由于关闭了深度写入，模型就很容易出现自我穿模效果。引入Pre-Z可以有效解决这个问题。

为了能正常SRP Batch，使用RendererFeature来写入半透明物体的深度（详见雨松大佬的文章），实际要渲染的物体关闭深度写入，深度测试为Equal。就是前面说的提前分离的Prepass做法。

可以看到确实是一个Batch画出了这两棵树

总结Early-Z的限制

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