遮挡剔除

为什么需要（19.7 节）

z-buffer 能正确解决可见性，但它是蛮力的。视线方向排成一列的 10 个球，最终只看到 1 个，中间像素的深度复杂度为 10：后到前绘制会有 9 次多余的像素着色；即使前到后绘制，10 个球的三角形仍要全部光栅化并做深度比较。雨林、发动机、城市、摩天楼内部这类密集场景都是如此。背面剔除可以看作最简单的遮挡剔除。

分类与通用框架

• 基于点 vs 基于单元：基于点是从单一视点判断；基于单元针对一个区域（盒或球）内所有视点，物体必须从单元内任何一点都看不见。后者算一次可在视点留在单元内的若干帧复用，但计算更贵，常作为预处理。二者类似点光源与面光源：物体不可见相当于位于本影中。
• 图像空间 / 物体空间 / 光线空间：实时图形中图像空间算法最常用。

通用算法（Zhang）维护遮挡表示 OR 和潜在遮挡物集合 P：

flowchart TD
  A["取下一个通过视锥剔除的物体 g"] --> B{isOccluded g, OR}
  B -- "是" --> C["跳过"]
  B -- "否" --> D["渲染 g 并加入 P"]
  D --> E{"P 足够大?"}
  E -- "是" --> F["把 P 合并进 OR, 清空 P"]
  E -- "否" --> A
  F --> A
  C --> A

如上图，被判为遮挡的物体直接跳过，未被遮挡的物体渲染后成为新的遮挡物。性能强烈依赖绘制顺序：先画车引擎盖，发动机很可能被剔除；先画发动机则什么都剔不掉，因此粗略的前到后排序收益显著。小物体也可能是好遮挡物——足够近时一个火柴盒能挡住金门大桥。

遮挡查询（19.7.1 节）

GPU 的特殊渲染模式：光栅化一组三角形（通常是复杂物体的 BV，如盒或 k-DOP），与当前 z-buffer 比较，返回可见像素数 $n$，但不写任何颜色和深度。

• $n=0$ 还需保证视锥可见近平面的任何部分都不在 BV 内，才能安全剔除；$n$ 小于阈值时可以近似丢弃（以质量换速度），$n$ 也可用来选择更低的 LOD。
• 只需布尔结果时可用 ANY_SAMPLES_PASSED（OpenGL 3.3 / DirectX 11 起），一有片元通过就能提前结束；OpenGL 4.3 的 ANY_SAMPLES_PASSED_CONSERVATIVE 允许只与粗深度缓冲比较，只要保守即可。
• 延迟很长，期间可渲染成百上千个三角形，所以只在包围盒内物体很多、遮挡很多时划算。查询模型是异步的：CPU 发出任意多个查询，定期检查结果队列而不停顿。谓词/条件渲染把查询与对应绘制调用一起提交，GPU 仅在查询可见时执行该绘制，大大提高了实用性。
• 调度：被遮挡的物体每帧都测，可见的物体往往保持可见，可以少测（按多帧统计调整频率）；无条件渲染时可以批量合并查询、用多个小盒代替一个大盒、对之前可见的物体做时间抖动采样调度。
• 难点：如果一切都可见，遮挡算法只增加开销；要快速察觉算法无效并收手；视锥内最先绘制的物体必然可见，对它们查询是浪费；何时以何种顺序测试很难决定。

层次 Z 缓冲 HZB（19.7.2 节）

原始算法把场景放进八叉树，把 z-buffer 维护为图像金字塔 z-pyramid：最细层就是 z-buffer，其他层每个值是下一层对应 $2\times2$ 窗口中的最远 z。z-buffer 被改写时向上传播。按粗略前到后遍历八叉树，把节点包围盒在能包住其投影的最粗 z-pyramid 单元上测试，若盒的最近深度 $z_{near}$ 比该单元更远则被遮挡，否则下降到更细层直到判定遮挡或到达底层（可见）；可见节点继续向下遍历并把几何渲染进 HZB，供后续测试使用。完整 HZB 如今已不用，但它是 GPU 硬件 z-culling 的基础，也启发了大量基于计算着色器或 CPU 软件光栅化的自定义剔除。

现代简化流程（大多数实现不用八叉树，也不在渲染后更新 z-pyramid，因为太贵）：

1. 用某种遮挡物表示生成完整 z-pyramid。
2. 把物体 BV 投影到屏幕，用投影后最长边 $l$（像素）选择 mip 层：

其中 $n$ 是 z-pyramid 的层数，max 防止负层级，min 防止越界。（原文取整符号在提取中丢失；书中说明该式选择使投影 BV 至多覆盖 $2\times2$ 个深度值的最低整数层，此处按向上取整写出。）这样每次测试最多读 4 个深度值，成本可预测；而且大物体本就更可能可见，没必要读更多。 3. 计算 BV 的最小深度 $z_{min}$（视空间 AABB 直接取最小深度；OBB 把顶点投影到视线方向取最小；球取 $\mathbf{c}-r\mathbf{c}/\lVert\mathbf{c}\rVert$），若它比这至多 4 个深度值都大则遮挡。相机在 BV 内时直接渲染。可选地再维护一个存最小深度的金字塔：BV 的 $z_{max}$ 比其中所有值都小则一定可见；两者重叠时再到更细层测试。$2\times2$ 比较类似百分比渐近过滤，可直接用带比较的双线性采样实现。

遮挡物来源：最近的 n 个"最佳"遮挡物、美术制作的简化遮挡体、上一帧可见物体统计，或直接用上一帧 z-buffer（不保守，快速运动时物体会突然冒出）。Haar 与 Aaltonen 把最佳遮挡物与上一帧 1/16 分辨率重投影深度结合，用 GPU 生成金字塔，有的实现借助 AMD GCN 的 HTILE 加速。

两遍法（Haar 与 Aaltonen；Kubisch 与 Tavenrath 类似）保证所有可见物体都被渲染：

flowchart LR
  A["用上一帧 z-pyramid 测试所有物体"] --> B["渲染判为可见的物体"]
  B --> C["由本帧深度重建 z-pyramid"]
  C --> D["重测第一遍被剔除的物体"]
  D --> E["渲染未被剔除者"]

即使相机或物体快速运动，结果也完全正确。

其他变体：

• Doghramachi 与 Bucci：把被遮挡物的 OBB 光栅化到降采样并重投影的上一帧深度上，强制 early-z，可见片元按物体 ID 在缓冲中标记可见，比 mip 层测试剔除率更高。
• Collin：$256\times144$ 浮点 z-buffer（非层次）在 CPU 或 PS3 的 SPU 上用 SIMD 软件光栅化美术遮挡体，测试物体屏幕 AABB 的 $z_{min}$，只把幸存物体发给 GPU；分辨率低于帧缓冲，所以不保守。Wihlidal 建议再用它的 $z_{max}$ 预填 GPU 的 HiZ（如 HTILE），或生成计算剔除用的 z-pyramid。
• 遮罩层次深度缓冲 MHDB（Hasselgren 等）：每个 $8\times4$ 瓦片每像素 1 位掩码加两个 $z_{max}$，共每像素 3 位；两个深度分别给前景和背景，能更好处理深度不连续。保守、可做 $z_{max}$ 剔除，每个三角形都更新，软件光栅化很快；可配合 AABB 树分层测试，或用堆按前到后遍历整个场景。开源代码针对 AVX2 深度优化。
• 中间件：Umbra 等专用剔除框架已集成进多款引擎。

剔除系统（19.8 节）

现代系统在多个粒度上组合剔除，有的完全在 GPU 计算着色器中进行，有的 CPU 粗剔、GPU 细剔。

flowchart LR
  A["物体/实例剔除"] --> B["簇/块剔除"]
  B --> C["三角形剔除"]
  C --> D["压缩幸存三角形列表"]
  D --> E["间接绘制"]

• 簇 (cluster/chunk) 是物体三角形的子集，例如 64 顶点的三角形带或 256 个三角形一组。物体级可用小三角形、细节、视锥、遮挡剔除；簇更小、更易被剔除，可用细节、视锥、成簇背面、遮挡剔除。
• 三角形级：除以 w 后与 $\pm1$ 比较的视锥剔除、背面、退化三角形、小三角形，可能还有遮挡。幸存者压缩成紧凑列表，计算着色器把三角形数写入 GPU 缓冲，用间接绘制（OpenGL 的 multi-draw indirect、DirectX 的 execute indirect）让 GPU 给自己下绘制命令，无需 CPU 往返。
• 代表工作：Shopf 等人把角色 AI 放在 GPU 上，位置只存在显存中，因此用计算着色器做剔除与 LOD，影响了后续大多数系统；《刺客信条：大革命》（Haar 与 Aaltonen）；Frostbite（Wihlidal）；配合可见性缓冲的系统（Engel）；大量零件的大模型渲染（Kubisch 与 Tavenrath，用几何着色器生成包围盒可见面再靠 early-z 剔除）。
• 最佳组合尚无定论，取决于目标架构和内容。

取舍

GEA 的视角：PVS 与 HiZ（卷 II 11.5.1.3、11.6.8.6）

• 何时值得做：地面视角的拥挤环境中物体互相遮挡很多，遮挡剔除极其重要；场景稀疏或从高处俯视时遮挡少，剔除的开销可能超过收益（卷 II 11.5.1.3）。
• 潜在可见集 (PVS)：对任意相机位置列出可能可见的物体，宁可多列不可见的，也不漏掉会出现在画面中的。常见实现是把关卡切成区域，每个区域附一张"在此区域内能看到哪些区域"的列表。可以由美术或策划手工指定，更常见的是离线工具根据用户划定的区域自动生成：在区域内随机分布的视点上渲染场景，每个区域的几何用不同颜色编码，扫描帧缓冲统计出现的颜色即得可见区域列表。自动工具不完美，通常允许手动放置测试视点，或手动指定某区域 PVS 中必须包含或排除的区域。
• HiZ 与两遍法：GEA 在 Nanite 一节介绍了层次 Z 缓冲的构建（每级存下层四像素的最大深度）、按簇屏幕范围选 mip 级的单次采样测试，以及"先重画上一帧可见簇建 HZB、再测其余"的两遍法（卷 II 11.6.8.6）。这与本页「层次 Z 缓冲 HZB」和「两遍法」一致，细节见 Nanite 虚拟化几何体 中的 GEA 部分。
• 入口与反入口见 剔除技术 中的 GEA 部分。