Unity Shader学习日志六：认识深度测试、深度写入、模板测试，简单制作魔镜世界

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前言

本章学习深度测试、深度写入、模板测试，简单制作魔镜世界，感谢Kerry大佬的教学

一、渲染顺序

Unity在决定渲染顺序时采用了深度缓冲技术。

当渲染物体时，每个所生成的 pixel 产生的深度数据会存储在 z-buffer（或称为 depth buffer），buffer 为二维矩阵，其尺寸大小与最后渲染尺寸相同。

如果渲染场景中其他物体时，并在同一个 pixel 位置渲染结果时，会检查 z-buffer 所存储的深度数据与当前Pixel的深度数据进行比较，决定是否将渲染结果覆盖原来的 pixel（Z-test），并且将新的深度速度写入到 z-buffer（Z-write）。通常条件会设定为深度数据比原本更接近摄像机时，就能够覆盖原本结果。

有 z-buffering 机制，不管物体渲染顺序（rendering order），使得离摄像机越近的物体，永远会渲染在其他离摄像机越远的物体之前。

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二、深度测试（Z-test）与 深度写入（Z-write）

深度测试，所谓测试，就是针对当前对象在屏幕上（更准确的说是frame buffer）对应的像素点，将对象自身的深度值与当前该像素点缓存的深度值进行比较，如果通过了，本对象在该像素点才会将颜色写入颜色缓冲区，否则否则不会写入颜色缓冲。ZTest提供的状态较多。 ZTest Less（深度小于当前缓存则通过， ZTest Greater（深度大于当前缓存则通过），ZTest LEqual（深度小于等于当前缓存则通过），ZTest GEqual（深度大于等于当前缓存则通过），ZTest Equal（深度等于当前缓存则通过），ZTest NotEqual（深度不等于当前缓存则通过），ZTest Always（不论如何都通过）。注意，ZTest Off等同于ZTest Always，关闭深度测试等于完全通过。

ZWrite比较简单，只有两种状态， ZWrite On（开启深度写入）和ZWrite Off（关闭深度写入） 。当我们开启深度写入的时候，物体被渲染时针对物体在屏幕（更准确地说是frame buffer）上每个像素的深度都写入到深度缓冲区；反之，如果是ZWrite Off，那么物体的深度就不会写入深度缓冲区。

下面进行测试，默认z-write打开，每个物体在最开始的深度默认最大，最先开始渲染背景

(1)less
双色Z-test Mode 均为less

先渲染红色，红色与背景重叠，红色均less背景，所以红色部分所有都显示。

接下来渲染绿色，绿色有一部分与红色重叠，进行深度测试，重叠部分深度greater红色，所以不渲染，显示被红色遮挡，其余部分均less于背景,所以显示。

(2)greater
绿色为greater，红色为less

当渲染绿色时，进行深度测试，由于绿色深度测试mod为greater,所以与红色重叠部分显示，与背景（深度为MAX）部分不显示

(3)always
绿色开启always

虽然绿色重叠部分比红色greater,但是always则默认绿色通过，所以全部显示

我们在绿色后面添加一个白色，白色为greater

在渲染白色时，依旧会判断为Greater把绿色覆盖掉。

(4)关闭Z-write
红色绿色均为less,关闭红色的z-write

红色与背景进行Z-test后完成渲染，由于Z-write关闭，红色的深度不会被记录，默认为MAX，当渲染绿色时，重叠部分经过Z-test,便会覆盖红色。

三、模板测试(Stencil Test)

当片段着色器处理完片段之后，模板测试(Stencil Test) 就开始执行了，和深度测试一样，它能丢弃一些片段。仍然保留下来的片段进入深度测试阶段，深度测试可能丢弃更多。模板测试基于另一个缓冲，这个缓冲叫做模板缓冲(Stencil Buffer)，我们被允许在渲染时更新它来获取有意思的效果。

模板缓冲中的模板值(Stencil Value)通常是8位的，因此每个片段/像素共有256种不同的模板值（译注：8位就是1字节大小，因此和char的容量一样是256个不同值）。这样我们就能将这些模板值设置为我们链接的，然后在模板测试时根据这个模板值，我们就可以决定丢弃或保留它了。

模板测试代码

模板测试的位置

四、简单制作魔镜世界

仅可以通过魔镜看到里面的世界

摆放模型，魔镜前放一个平面

开启平面的模板测试，测试值为1,让该平面总是通过任何模板测试，ColorMask 0让其完全透明

ColorMask 0
Stencil {
    Ref 1
    comp always
    pass replace
}

此时移动摄像机会出现闪烁的问题，这是因为排序不明确，该平面设置为2460，魔镜世界设置为2470,让平面一直比魔镜世界先渲染，此时上图不会闪烁，但会一直挡住魔镜世界，此时关闭Z-write即可

ColorMask 0
Stencil {
    Ref 1
    comp always
    pass replace
}
ZWrite off

此时给魔镜世界开启模板测试，此时模板值为一，只有通过平面才能看到

 //开启模板测试
 Stencil
 {
     Ref 1
     Comp EQUAL
     
 }

接下来解决魔镜世界可以看到其他物件的问题

给场景添加一个天空盒，这个天空盒非常大且远

给天空盒开启模板测试，开启ZTest Always

 //开启模板测试
 ZTest Always
 Stencil
 {
     Ref 1
     Comp equal
    
 }

天空盒会为我们剔除没有开启模板测试的外面物件，而保留通过模板测试的物件

补充

大家可以用模板测试试着实现以下非欧几里得立方体

参考文献

Unity Shader-渲染队列，ZTest，ZWrite，Early-Z

模板测试（Stencil Test）基本概念