深度缓冲格式、深度冲突及平台差异
深度测试
UnityZ-Fighting产生原因
Unity Shader - Offset 的测试，解决简单的z-fighting情况
unity shader Offset Factor, Units详解
ShaderLab culling and depth testing
一直想梳理一下Unity中深度缓冲相关知识，以及Unity shader Offset的用法，今天看到一篇文章，讲得非常好，转发记录一下。
这里先说一下深度测试。
深度测试
在场景中我们会通过虚拟摄像机拍摄到当前视角下的物体渲染最终画面，而画面是由虚拟相机可视范围内的所有可见的三维物体通过计算并映射到二维得到的，最终会呈现出远小近大（透视模式）的效果，在映射到二维空间时，显卡会通过插值运算将每一个顶点进行光栅化，最终得到的片元，每个片元到摄像机的近裁剪面的距离转换为一个深度值，保存在深度缓冲中，用于确定每个像素渲染时的顺序，以此来保证物体的深度关系。
我们知道半透明物体渲染由远及近（可以看到物体后面的物体），不透明物体由近及远（只需要看到最近的物体，交叉物体只需要看到最近的部分），因为没有必要渲染看不到的部分，浪费资源，所以需要通过测试来过滤掉被遮挡的片元，下面是一位知乎大佬关于深度测试与深度写入的总结，我觉得说的很好：
深度测试的意义在于舍弃片元与否。
深度写入的意义在于深度测试的基础上，要不要覆盖深度缓冲，即重新设立深度测试的标准。
GPU的渲染流程：
深度测试的大概流程：
混合的大概流程：
另外现代GPU为了提高性能，还会有一个Early-Z的过程，即提前到光栅化之后，片元函数之前进行一次快速的深度测试，避免在片元函数中再进行逐像素的处理，节省性能，加快渲染速度，这里放两张图，更多信息，可以网上自己搜一下。
Unity Shader-渲染队列，ZTest，ZWrite，Early-Z
不过要注意在移动平台的GPU架构TBR(Tile-Base-Rendering)和TBDR(Tile-Base-Deffered-Rendering)，与PC平台GPU的IR（Immediate-Rendering）架构的差异，TBDR还采用了HSR（Hidden Surface Removal）技术，可以实现零Overdraw，性能更好，iOS采用的就是TBDR架构。
移动设备GPU架构知识汇总（转）
非线性的Depth Buffer
我们知道顶点从View Space中转换到NDC的过程，也叫做投影。
投影过程中x和y分量都只是分别做了简单的线性的变化，如上图x从[l,r]线性映射到了[-1,1]，y从[b,t]到[-1,1]。
z也做了映射，但是却不是线性的！而是越靠近摄像机近平面的两个顶点，深度值相差会越大，它们的关系曲线如下：
注：深度值d和NDC中的z是什么关系？d就是Depth Buffer中的值，OpenGL中Depth Buffer只是将NDC的z从[-1,1]线性映射到了[0,1]而已；而D3D中，由于NDC z取值范围已经是[0,1]，所以两者是相同的。因此你大可以认为d等价于NDC z。
从图中我们可以看到距离摄像机很近的地方，占据了大半的深度取值范围。
为什么z->d的映射是非线性的？
实用层面的理解：计算机存储一个值是有精度的，摄像机中离我们越远的物体，信息就越少，对画面的贡献也越少，我们根本不需要为远处物体的数据提供更高的精度。所以深度值在靠近近平面精度越高，越远精度越低。
在数学上的理解：我们都知道光栅化时片段的各种属性（纹理坐标、颜色等）需要经过GPU插值，其实这个插值并不是线性的，因为在投影面上等距的两点，对应的被投影的两点并不是等距的：
如图，把线段 (x1,z1)(x2,z2) 投影到屏幕上 z=-e上，我们会发现在屏幕上取等距离的两点，对应线段上的点距离并不相等。然后经过数学推导发现，顶点属性的插值不和z成线性关系，而是和1/z成线性关系! 这样就和为什么深度不是线性的产生了联系。
扩展：如果想彻底了解投影的数学过程，可以参考一些图形学数学书或OpenGL Projection Matrix
作为工程师，不用记住数学，只要记住Depth Buffer是非线性的就行了。
所以在Fragment Shader中操作Depth Buffer的时候，比如制作雾效、深度可视化等，一定先将z变换到线性空间。公式参考如下：
其中
其中d表示片段在Depth Buffer中深度值,n表示摄像机的近平面near,f表示摄像机的远平面far。这个公式是从投影矩阵中推导出来的，如果对数学有兴趣可以参考前面的扩展链接。
在Shaderlab中可以用内置Linear01Depth函数做深度的线性化：
float Linear01Depth( float z )
深度冲突(Z-Fighting 、Depth-Fighting)
前面提到了Depth Buffer是非线性的，越靠近摄像机的地方，精度越高。
因此在远离摄像机的地方，精度不够了，就容易出现两个深度值很接近的片段不断闪烁的问题，看上去就像它们在争夺谁显示在前面的权利。
解决的思路分为三种，一是可以增加深度的精度，二是杜绝物体Z过于接近的情况，三是在Shader中利用Offset语法。
第一种方法可以通过增大深度缓冲本身的数据位数来做到，但是一般来说不会这么做，因为为了解决深度冲突而增大显存的占用并不是很明智。还有一种方法就是修改摄像机的近远平面，让其范围更小，范围小了之后数据能够表示的精度自然就上升了。
第二种方法其实是很实用的，略微在场景中移动物体坐标，错开那些靠的很近的物体，其实基本上都能解决问题。
第三种，利用Offset语法，以Shaderlab为例，Offset指定片段深度的偏移量来解决这个问题：
Offset Factor, Units
片段深度的偏移量offset = m * factor + r * units 其中m是多边形在深度方向的斜率的最大值，r是深度缓冲中可以分辨的差异最小值，是一个常数。
平台差异
在实际项目中，你可能遇到这样的情况，在iOS和PC上是没有问题的，但是打包到Android后却出现了片段闪烁问题，疑似深度冲突，但是又因为平台差异让你不太确信。 其实你的猜测8成是对的，就是深度冲突问题，但为什么只有Android才会呢？这就要从深度缓冲的取值范围变化历史说起了。 我们现在知道，OpenGL的深度范围是[-1,1]，DirectX是[0,1]，但其实这只是早期的说法，现在已经不准确了。在Unity的这一篇文章中，提到了这样一段话：
总结一下：
对于DirectX 11，DirectX12，PS4，Xbox One，和Metal，现在使用的都是新的方法Reversed direction。即NDC的取值范围是[1,0]。对于其他的图形接口，保持传统的取值范围。即我们前文提到的，OpenGL是[-1,1],DirectX是[0,1] (在文档中提到都是[0,1]我认为这里是文档错误。
在最后一段特别提到了，新的方法Reversed direction比旧的方法精度更高。这也是为什么在PC（DirectX11 或12）或iOS（Metal）不会出现深度冲突，但是打包在Android（OpenGL ES）确出现的原因。
为啥取值范围从[0,1]变成[1,0]精度就更高了？
你或许对Unity文档最后的那段话感到好奇，为什么单纯反一下取值范围精度就更高了呢？其实在Nvidia这一篇 文章中有解释到原因。大意就是，我们之前认为在距离d上数值的分布应该是等距的，但其实这不对，因为计算机存储浮点数是按照 尾数^指数 的方式存储的，数值是离散的而且不等距：
注意看y轴上点的分布，这也导致了在实际情况下，精度的衰减其实更快，在稍微远离近平面不远的地方或许精度就不够用了。但是如果我们把y轴范围反一下，即Reversed direction，就会变成这样：
精度衰减的没那么快了，而且基本上是相同精度。因此新的接口都使用Reversed direction的方法，不过可惜OpenGL ES的取值仍然是传统取值（Android说你呢！），因此才有Unity文档中的那么一说。
参考资料
- 投影和透视矩阵的推导（http://www.songho.ca/opengl/gl_projectionmatrix.html）
- 关于深度精度平台差异（https://docs.unity3d.com/Manual/SL-PlatformDifferences.html）
- 关于平台差异的解释（https://developer.nvidia.com/content/depth-precision-visualized）