深度缓冲

深度缓冲是几乎所有图形硬件用来解决可见性的算法：为每个像素存一个当前最近图元的深度值，新片元更近才写入颜色和深度。它简单、和图元数量成线性关系、允许大多数图元以任意顺序绘制，但不能直接处理半透明。

原理

• 深度缓冲和颜色缓冲大小、形状相同，每个像素存储当前最近图元的 z 值。
• 渲染图元到某个像素时，计算该处的 z 值并与缓冲中的值比较：
  • 更小（更近）：更新这个像素的颜色和 z 值；
  • 更大（更远）：颜色缓冲和深度缓冲都不变。
• 这一步在像素处理的合并阶段完成。

优点

• 算法简单，复杂度为 O(n)，n 是要渲染的图元数量。
• 只要能逐像素算出 z 值的图元都能用。
• 大多数图元可以按任意顺序绘制，这是它流行的另一个原因。

局限：半透明

每个像素只存一个深度，所以无法正确处理部分透明的图元。常见做法：

• 先画完所有不透明物体，再把半透明物体从后往前排序绘制；
• 或者使用顺序无关的透明算法 (OIT)（RTR4 第 5.5 节）。

RTR4 称透明是基础深度缓冲最主要的弱点之一。

和 discard 的配合

早期 API 用 alpha 测试按 alpha 值丢弃像素；现在可以在像素着色器里用 discard，按任意条件丢弃片元，保证完全透明的片元不会写入深度缓冲（RTR4 第 6.6 节），常用于树叶、栅栏这类镂空贴图。

在游戏开发中的意义

• 半透明排序是引擎里的常见问题来源，比如粒子、玻璃、水面互相穿插时的排序错误。
• 不透明物体虽然顺序无关，但按从前往后排序能让 early-z 剔除更多被挡住的片元，减少像素着色开销（见 合并阶段与帧缓冲 的 Early-Z 一节）。

GEA 的视角：深度缓冲光栅化与深度状态的用法（卷 II 11.3.10.5、11.3.11、11.5.2）

算法

• 准备一张与帧缓冲同尺寸、存深度的位图（帧缓冲的一个图像平面），初始化为"无穷远"；按任意顺序光栅化三角形，对每个片元插值出深度，比缓冲中的值小就同时覆盖颜色和深度，否则丢弃（卷 II 11.3.10.5）。
• 它是对画家算法的增量式修正：每画一个三角形就更新一次"哪些片元离相机最近"，画完后颜色缓冲里只剩每个像素直接可见的片元颜色。

测试与写入分开控制的用例

深度测试和深度写入可以独立开关（卷 II 11.3.11）。GEA 的例子是第一人称射击游戏里贴墙时枪模穿进墙里：

1. 先画除枪以外的所有东西，深度测试和写入都打开；
2. 再画枪，关闭深度测试，于是即使墙比枪的某些部分更近，枪的所有片元也会画出来。

脚注补充：这样做时枪自己的三角形要先从后往前排序；另一种做法是第一遍画完后清空深度缓冲再画枪（两遍都开测试和写入）；第三种是把枪画到离屏纹理，再关闭深度测试画一个贴这张纹理的四边形。

z 预通道与 early-z

• 按材质排序能减少状态切换，但会增加过度绘制；不透明像素的过度绘制纯属浪费。early-z 要在像素着色器之前丢掉被遮挡片元，最好从前往后画（卷 II 11.5.2）。
• z 预通道调和这对矛盾：第一遍只写深度，GPU 有关闭像素着色器、只更新 z 的"双倍速"模式，可以按从前往后的顺序画；第二遍按材质重新排序，画完整颜色，此时已几乎没有过度绘制（卷 II 11.5.2.1）。排序与状态切换的取舍见 绘制调用与状态切换优化。
• 另一种思路是一种"扩展的深度缓冲"——可见性缓冲，见 延迟纹理与可见性缓冲。
• 深度和模板的存储格式见 合并阶段与帧缓冲 中的 GEA 部分。