Unity Shader Early-Z技术

Early-Z技术

传统的渲染管线中,ZTest其实是在Blending阶段,这时候进行深度测试,所有对象的像素着色器都会计算一遍,没有什么性能提升,仅仅是为了得出正确的遮挡结果,会造成大量的无用计算,因为每个像素点上肯定重叠了很多计算。因此现代GPU中运用了Early-Z的技术,在Vertex阶段和Fragment阶段之间(光栅化之后,fragment之前)进行一次深度测试,如果深度测试失败,就不必进行fragment阶段的计算了,因此在性能上会有很大的提升。但是最终的ZTest仍然需要进行,以保证最终的遮挡关系结果正确。
前面的一次主要是Z-Cull为了裁剪已达到优化的目的,后一次主要是Z-Check,为了检查,如下图:
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Early-Z的实现,主要是通过一个Z-pre-pass显示,简单来说,对于所有不透明的物体(透明的没有用,本身不会写入深度),首先用一个超级简单的shader进行渲染,这个shader不写入颜色缓冲区,只写深度缓冲区,第二个pass关闭深度写入,开启深度测试,用正常的shader进行渲染。其实这种技术,我们也可以借鉴,在渲染透明物体时,因为关闭了深度写入,有时候会有其他不透明的部分遮挡住透明的部分,而我们其实不希望他们被遮挡,仅仅希望被遮挡的物体半透,这时我们就可以用两个pass来渲染,第一个pass使用Color Mask屏蔽颜色写入,仅写入深度,第二个pass正常渲染半透,关闭深度写入。关于Early-Z技术可以参考ATI的论文Applications of Explicit Early-Z Culling以及PPT,还有一篇Intel的文章

Unity渲染顺序总结

如果我们先绘制后面的物体,再绘制前面的物体,就会造成over draw;而通过Early-Z技术,我们就可以先绘制较近的物体,再绘制较远的物体(仅限不透明物体),这样,通过先渲染前面的物体,让前面的物体先占坑,就可以让后面的物体深度测试失败,进而减少重复的fragment计算,达到优化的目的。Unity中默认应该就是按照最近距离的面进行绘制的,我们可以看一下Unity官方的文档中显示的:
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从文档给出的流程来看,这个Depth-Test发生在Vertex阶段和Fragment阶段之间,也就是上面所说的Early-Z优化。
简单总结一下Unity中的渲染顺序:先渲染不透明物体,顺序是从前到后;再渲染透明物体,顺序是从后到前。

Alpha Test(Discard)在移动平台消耗较大的原因

从本人刚刚开始接触渲染,就开始听说移动平台Alpha Test比较费,当时比较纳闷,直接discard了为什么会费呢,应该更省才对啊?这个问题困扰了我好久,今天来刨根问底一下。还是跟我们上面讲到的Early-Z优化。正常情况下,比如我们渲染一个面片,不管是否是开启深度写入或者深度测试,这个面片的光栅化之后对应的像素的深度值都可以在Early-Z(Z-Cull)的阶段判断出来了;而如果开启了Alpha Test(Discard)的时候,discard这个操作是在fragment阶段进行的,也就是说这个面片光栅化之后对应的像素是否可见,是在fragment阶段之后才知道的,最终需要靠Z-Check进行判断这个像素点最终的颜色。其实想象一下也能够知道,如果我们开了Alpha Test并且还用Early-Z的话,一块本来应该被剃掉的地方,就仍然写进了深度缓存,这样就会造成其他部分被一个完全没东西的地方遮挡,最终的渲染效果肯定就不对了。所以,如果我们开启了Alpha Test,就不会进行Early-Z,Z Test推迟到fragment之后进行,那么这个物体对应的shader就会完全执行vertex shader和fragment shader,造成over draw。有一种方式是使用Alpha Blend代替Alpha Test,虽然也很费,但是至少Alpha Blend虽然不写深度,但是深度测试是可以提前进行的,因为不会在fragment阶段再决定是否可见,因为都是可见的,只是透明度比较低罢了。不过这样只是权宜之计,Alpha Blend并不能完全代替Alpha Test。

关于Alpha Test对于Power VR架构的GPU性能的影响,简单引用一下官方的链接以及一篇讨论帖

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