TA百人计划学习笔记 3.1.1模板测试

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  • 源视频
    • 【技术美术百人计划】图形 3.1 深度与模板测试 传送门效果示例_哔哩哔哩_bilibili
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    • 3100-模板测试与深度测试(1)
  • 参考
    • Unity Shader: 理解Stencil buffer并将它用于一些实战案例（描边，多边形填充，反射区域限定，阴影体shadow volume阴影渲染）_unity stencil buffer-CSDN博客
    • 3.1 模板测试和深度测试 · 语雀
  • MayoHa Wu - 知乎
• stencil test 模板测试
  • 引入

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  • 应用
    • 游戏 笼中窥梦

    • 传送门效果

      • 

    • Minions大佬的作品
      • https://www.patreon.com/posts/14832618

  • 是什么
    • 从渲染管线理解
      • 下图为从片元着色器到FrameBuffer的流程（逐片元操作）

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      • 逐片元操作流程：
        • 不可编辑，但高度可配置
          • 由管线/硬件自身规定好的，我们只能对里边的内容进行配置。

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          • 像素所有权测试→裁剪测试→透明度测试→模板测试→深度测试→透明度混合
            • PixelOwnershipTest：
              • 简单来说就是控制当前屏幕像素的使用权限
              • e.g.：游戏引擎仅渲染游戏窗口
            • ScissorTest（裁剪测试）：
              • 在渲染窗口再定义要渲染哪一部分
              • 和裁剪空间一起理解，也就是只渲染能看到的部分
              • e.g.只渲染窗口的左下角部分
            • AlphaTest（透明度测试）
              • 提前设置一个透明度域值
              • 只能实现不透明效果和全透明效果
              • e.g. 设置透明度a为0.5，如果片元大于这个值就通过测试，如果小于0.5就剔除掉
            • StencilTest（模板测试）
            • DepthTest（深度测试）
            • Blending（透明度混合）
              • 可以实现半透明效果
          • 完成接下来的其他一系列操作后，我们会将合格的片元/像素输出到帧缓冲区（FrameBuffer）
    • 从逻辑上理解

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        • 理解：
          • referenceValue：当前模板缓冲片元的参考值
          • stencilBufferValue：模板缓冲区里的值
          • 中间的comparisonFunction，就是做一个比较
        • 结果：
          • 如果通过，这个片元就进入下一个阶段
          • 未通过/抛弃，停止并且不会进入下一个阶段，也就是说不会进入颜色缓冲区
        • 总结：通过一定条件来判断这个片元/片元属性执行保留还是抛弃的操作
    • 从概念上理解
    • 模板缓冲区-FrameBuffer
      • 模板缓冲区可以为屏幕上的每一个像素点保存一个无符号整数值（通常为8位int 0-255）。
      • 这个值的意义根据程序的具体应用而定。
    • 模板测试
      • 渲染过程中，可以用这个值与预先设定好的参考值作（ReferenceValue）比较，根据结果来决定是否更新相应的像素点的颜色值。
      • 如果模板测试通过，相应的像素点更新，否则不更新。
      • 这个比较的过程就称为模板测试。
  • 怎么用
    • 语法表示/结构解释

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        • Ref：当前片元的参考值（0-255）
          • reference valve
        • ReadMask：读掩码
          • BitMask
            • 掩码（BitMask）是一种用于修改或检查数据位（Bit）的简单且高效的技术。通过与特定的二进制数字进行位运算（如AND、OR、XOR等），掩码可以轻松地设置、清除或翻转数据中的特定位。
            • 核心概念
              • 设置位（Set Bit）: 通过OR运算来设置特定的位。
              • 清除位（Clear Bit）: 通过AND和NOT运算来清除特定的位。
              • 翻转位（Toggle Bit）: 通过XOR运算来翻转特定的位。
            • 应用场景
              • 数据压缩
                • 在数据压缩中，掩码能够有效地对数据进行编码和解码，从而减小数据的体积。
              • 权限控制
                • 掩码可以用于精细的权限控制系统，通过设置不同的位来代表不同的权限。
              • 网络编程
                • 在网络编程中，掩码常用于子网划分和IP地址的过滤。
        • WriteMask：写掩码
        • Comp：比较操作函数
          • comparison function

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        • Pass：测试通过，之后进行操作（StencilOperation）
        • Fail：测试未通过，也会进行一个操作
        • ZFail：模板测试通过，深度测试未通过
        • stencil 10 peration 更新操作

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    • unity
      • 实例1

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        • shader
          • 蒙版stencilmask.shader
            • 物体为plane（平面）

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              • 只有一个int类型的属性，作为蒙版的ID
              • tags标签
                • 渲染类型为不透明物体，队列为Geometry+1（默认的不透明物体后进行蒙版的渲染）
                • 补充
                  • Unity 图形学shader之tags设置(七)_unity shader tags-CSDN博客
                  • 渲染顺序 - Queue 标签
                    • 定义
                      • 渲染队列，指定对象什么时候渲染，每个队列其实都是利用一个整数进行索引的。
                      • 用来确定对象的绘制顺序。着色器决定其对象属于哪个渲染队列。有四个预定义的渲染队列，但预定义的渲染队列之间可以有更多的队列。
                    • 队列
                      • 预定义队列包括：
                        • 1.1.1 Background - 在其他渲染队列之前渲染。通常会对需要处于背景中的对象使用此渲染队列。
                        • 1.1.2 Geometry（默认值）-通常用于不透明对象，比如场景中的物件与角色等。
                        • 1.1.3 AlphaTest - 进行 Alpha 测试的几何体将使用此队列，要么完全透明要么完全不透明，多用于利用贴图来实现边缘透明的效果，也就是 美术常说的透贴。在绘制完所有实体对象之后再渲染经过 Alpha 测试的对象会更有效。
                        • 1.1.4 Transparent - 此渲染队列在 Geometry 和 AlphaTest 之后渲染，按照从后到前的顺序。任何经过 Alpha 混合者（即不写入深度缓冲区的着色器）都应该放在这里（玻璃、粒子效果）。常用于半透明对象，建议需要混合的对象放入此队列。
                        • 1.1.5 Overlay -此渲染队列用于叠加效果。最后渲染的东西应该放在这里（例如镜头光晕等）
                        • 在内部，每个队列由整数索引表示；Background是 1000，Geometry是 2000，AlphaTest是 2450，Transparent是 3000，Overlay是 4000。
                      • 预定渲染序列之外的其他序列，例：
                        • 以通过在值后加数字的形式来进行重新指定渲染队列
                        • Tags { “Queue” = “Geometry+1” }
                          • 注意：“Geometry+1” 不可以有空格。
                          • 索引值为2001 的队列这将使对象在所有不透明对象之后渲染，但在透明对象之前渲染。例如透明的水应该在不透明对象之后绘制，但又要在透明对象之前绘制。
                          • 索引值高达 2500 的队列（“Geometry+500”）视为“不透明”，并且会优化对象的绘制顺序以获得最佳性能。 较高索引的渲染队列被认为是“透明对象”并按距离将对象进行排序，从距离最远的对象开始渲染，最后渲染距离最近的对象。天空盒在所有不透明对象和所有透明对象之间绘制。
                    • Queue渲染队列小结： 渲染队列直接影响性能中的重复绘制，合理的队列可极大的提升渲染效率。在Unity中，渲染队列小于2500的对象都被认为是不透明的物体,（如“Background”，“Geometry”，“AlphaTest”），这些物体是从前往后绘制的，而使用其他的队列（如“Transparent”，“Overlay”）的物体则是从后往前绘制的。这意味着，我们需要尽可能地把物体的队列设置为不透明物体的渲染队列，而尽量避免重复绘制。
              • ColorMask
                • 颜色遮罩，0就是什么都不输出（是高度可配置的，可以改为RGBA（没有遮罩）、输出单通道R、G、 B）
                • 单纯作为蒙版遮罩使用
              • ZWrite off
                • 关闭深度写入，防止显示的东西被深度剔除
              • Stencil模板测试部分
                • Ref [_ID] 索引值（参考值）=预制件中输入的int值
                • Comp always 默认比较
                • Pass replace 蒙版区域全部重置为1，其他为0
                • Fail、ZFail，不写的话都是默认值

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          • 物体ToonLitStencilMasked.shader

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              • 除了自身的属性之外，同样给了一个ID

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              • tags标签
                • 渲染类型为不透明物体，队列为Geometry+2（前边蒙版后渲染）
              • Stencil/模板测试部分：
                • Ref [_ID]
                • Comp equal ，当给定的索引值和当前模板缓冲区的值相等时，才会渲染这个片元 。物体的mask id=蒙版的mask id时，物体才被渲染。

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      • 实例2
        • shader
          • 蒙版

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              • 属性中使用了一个内置的枚举，这样就可以在外边自己选择可配置的属性了

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              • 总结：一个蒙版对应一个物体，他们使用相同的ID（ID依次为1、2、3、4），出来的效果就是：每个面显示的盒子内部物理不同
  • 总结
    • 最重要(用来比较的）两个值
      • 当前模板缓冲区值（StencilBufferValue）
      • 模板参考值（ReferenceValue）
    • 模板测试的内容
      • 主要就是对这两个值进行特定的比较操作，例如Never、Always、Equal等，具体参考上文的表格
    • 模板测试后
      • 要对模板缓冲区的值进行更新操作，例如Keep，Replace等，具体参考上文表格
      • 更新操作：可以根据不同的结果对模板缓冲区做不同的更新操作，例如模板测试成功的操作Pass、模板测试失败的操作Fail、深度测试失败的操作ZFail、还有正对正面和背面更新操作Passback，Passfront，Failback等
  • 拓展
    • 掌握模板测试的核心思想，利用模板测试的特性同其他测试或图形算法结合使用
      • 描边

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      • 多边形填充

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      • 反射区域控制

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      • shadow volume阴影渲染

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    • 参考资料
      • 官方文档：Unity - Manual: ShaderLab command: Stencil
      • UnityShader实例09:Stencil Buffer&Stencil Test_unity shader 螺丝孔-CSDN博客
      • Unity Shader: 理解Stencil buffer并将它用于一些实战案例（描边，多边形填充，反射区域限定，阴影体shadow volume阴影渲染）_unity stencil buffer-CSDN博客
      • Unity3D Stencil Test模板测试详解-腾讯游戏学堂
      • 模板测试 - LearnOpenGL-CN
      • https://www.patreon.com/posts/14832618
      • https://www.udemy.com/course/unity-shaders/