【躬行】-深度缓冲和模板缓冲是怎么存储的？

2023-11-06 22:02 由 bzyzhang 发表于 #其他

概述

最近在工作中需要实现一个功能，用到了模板测试。但奇怪的是，模板测试竟然不起作用！在解决问题的过程中，发现了一些有趣的知识点。通过本文，可以了解在unity中，深度缓冲和模板缓冲到底是怎么存储的。

测试环境的搭建

Unity版本：2021.3.16f1

URP版本：12.1.8

RenderDoc：1.29

需要注意的是，URP的版本迭代，代码改动较大，最好与上面的版本一致。否则，可能会因为版本不同，产生无谓的麻烦。

后面的实验需要使用到RenderDoc。关于怎么在Unity中使用RenderDoc，可以查看最后的参考文献部分。

由于后续需要修改URP的源码进行测试，所以需要移动URP源码的路径。新建URP项目，源码的路径是类似这种：xxx\Library\PackageCache（xxx是URP项目的文件夹名）。需要将以下两个URP源码文件夹移动到xxx\Packages文件夹下：

移动后，Packages文件夹类似这样：

实现一个基础的Shader,包含了深度测试和模板测试。代码很简单，就不赘述了。如下所示：

Shader "Test/Hello World"
{
    Properties
    {
        _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
        
        [Header(Stencil)]
        [Enum(UnityEngine.Rendering.CompareFunction)]_StencilComp ("Stencil Comparison", Float) = 8
        [IntRange]_Stencil ("Stencil ID", Range(0,255)) = 0
        [Enum(UnityEngine.Rendering.StencilOp)]_StencilPass ("Stencil Pass", Float) = 0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "Queue" = "Geometry" "RenderType" = "Opaque" "RenderPipeline" = "UniversalPipeline" }
        
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
            Cull Off
            ZTest LEqual
            ZWrite On
            
            Stencil
            {
                Ref [_Stencil]
                Comp [_StencilComp]
                Pass [_StencilPass]
            }
            
            HLSLPROGRAM
            
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            struct Attributes
            {
                float4 positionOS: POSITION;
            };
            
            struct Varyings
            {
                float4 vertex: SV_POSITION;
            };
            
            half4 _Color;
            
            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output = (Varyings)0;
                
                output.vertex = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
                
                return output;
            }
            
            half4 frag(Varyings input): SV_Target
            {
                return _Color;
            }
            ENDHLSL
            
        }
    }
}

需要设置一下测试的场景环境。使用上面的Shader新建两个材质球：Far和Near，如下设置：

Far材质球，设置为总是通过模板测试，替换模板值3，Render Queue设为2000。

Near材质球，设置模板缓冲值为3时才通过，保留模板缓冲值，Render Queue设为2010。

通过上面的设置，会先渲染Far材质球，写入模板缓冲3。然后再渲染Near材质球，只有模板缓冲中值为3的区域才会渲染。

使用Frame Debugger查看渲染流程，可以发现，确实是先渲染Far，再渲染Near。整体的渲染流程如下：

注意上图中红框中的部分，是颜色缓冲纹理的名称。在代码中使用全局搜索，可以找到如下部分：

通过观察分析，可以发现，深度缓冲和模板缓冲，主要是受到下面代码的影响：

colorDescriptor.depthBufferBits的代码注释如下：

这个值代表渲染纹理的深度缓冲精度比特值，支持0,16,24,32这四个值。

下面，分别把colorDescriptor.depthBufferBits设为上面的四个值，查看效果。

实验

实验一设为0
```
colorDescriptor.depthBufferBits = (useDepthRenderBuffer) ? 0 : 0;
```
1. 场景效果
2. Frame Debugger
3. RenderDoc
  
  分析：从场景效果看，只渲染了天空盒，没有显示出Far或Near。但从Frame Debugger上看，流程并没有改变，还是先渲染Far，再渲染Near，接着再渲染天空盒。只是天空盒将Far和Near都覆盖了。从RenderDoc看，只有颜色纹理RT0。从这些内容分析以下，应该是因为没有了深度缓冲和模板缓冲，导致深度测试和模板测试不起作用了。

实验二设为16

colorDescriptor.depthBufferBits = (useDepthRenderBuffer) ? 16 : 0;

场景效果
Frame Debugger 与上面相同，略
RenderDoc

分析：从场景效果看，显示出Far和Near，但是模板测试并没有起作用，因为完整的渲染出了Near。从Frame Debugger上看，流程并没有改变。从RenderDoc看，除了颜色纹理RT0，还多渲染了一张纹理DS（从名字看，应该是Depth Stencil）。在RT0中右键选中Far范围内的一点，再切换到DS，可以在RenderDoc的底部看到选中点的深度、模板信息。从上图可以看出，DS纹理的格式是R16，后面的值是选中点的深度缓冲值。这样，可以推测，有了深度缓冲，深度测试应该是起作用了，但是模板缓冲还是没有起作用，因为没有模板缓冲。

实验三设为24

colorDescriptor.depthBufferBits = (useDepthRenderBuffer) ? 24 : 0;

场景效果
Frame Debugger 与上面相同，略
RenderDoc

分析：从场景效果和Frame Debugger上看，效果和流程与开始实验前完全一样。从RenderDoc看，与设为16时一样，都有RT0和DS两张纹理。但DS纹理的格式和内容是不同的，在上图底部可以发现，DS的格式是D32S8，后面还有深度缓冲值和模板缓冲值。与设为16时相比，DS纹理的格式不同，纹理的信息中，还多了模板缓冲值。这样，可以推测，深度缓冲和模板缓冲都有了，深度测试和模板测试也都起作用了。

实验四设为32

colorDescriptor.depthBufferBits = (useDepthRenderBuffer) ? 32 : 0;

场景效果与上面相同，略
Frame Debugger 与上面相同，略
RenderDoc与上面相同，略

可以发现，设为32时，与设为24时的效果完全相同。这是为什么呢？

colorDescriptor.depthBufferBits的源码如下：

    public int depthBufferBits
    {
      get => GraphicsFormatUtility.GetDepthBits(this.depthStencilFormat);
      set => this.depthStencilFormat = RenderTexture.GetDepthStencilFormatLegacy(value, this.graphicsFormat);
    }

设为24时，单步调试的结果如下：

设为32时，单步调试的结果如下：

从上面可以发现，设置depthBufferBits的int值，并不会向一般的属性那样直接存储int值。而是经过计算之后，存储到GraphicsFormat类型的变量中。而当设置的值是24和32时，保存的GraphicsFormat类型的变量都是D32_SFloat_S8_UInt。这也就解释了为什么设为24和32时，RenderDoc中完全一致的问题。

实验结论

上面的实验结果，可以用下面的图表简洁表达：

	DS纹理	深度测试	模板测试
0	✖	✖	✖
16	✔	✔	✖
24	✔	✔	✔
32	✔	✔	✔

回到最初遇到的问题：模板测试不起作用。根据上面的表格，在项目中查了一下，是因为depthBufferBits设为了0，导致深度测试和模板测试都不起作用了。思路延伸一下：从性能优化的角度考虑，如果某种情况下不需要深度测试或模板测试，可以赋予depthBufferBits一个比较低的值，这样，DS纹理占用的内存会比较小，甚至不需要申请DS纹理的内存。

参考

[1] RenderDoc Integration

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概述

测试环境的搭建

实验

实验一 设为0

实验二 设为16

实验三 设为24

实验四 设为32

实验结论

参考

实验一设为0

实验二设为16

实验三设为24

实验四设为32