Early-Z和Late-Z规则
前言
已经不止一次看到有文章说：不管有没有Early-Z最后的Late-Z一定会执行了，仔细想一下其实是不合理的：
- Early-Z相当于把Late-Z提前，一样会有逐片元的深度测试和深度写入，如果Early-Z和Late-Z是共存的，那么就有两次Z-Buffer的读取和写入，造成带宽浪费
- Early-Z因为种种原因失效了，执行Late-Z无可非议，但如果Early-Z没有失效，我们都在Early-Z处理好了，为什么还需要在Late-Z处理一次？
这篇文章就把深度缓冲区的所有操作都整理起来，并且还会包含一些引申出来的知识点，给每位看官进行一条龙服务。
正文
名词规范
国际惯例了属于是，为了避免歧义，本文中所有用到的名词，英语词汇都将在此处列出，希望看官们能把此处列出的名词和释义代入文章中，而不是自己脑海里的，这样你好我也好：
- PS：片元着色器
- Z-Buffer：深度缓冲区
- Z-Test：深度测试
- Z-Write：深度写入
- Early-Z：提前Z-Test和Z-Write，位于光栅化阶段之后，PS阶段之前，以pixel quad为单位（既以4个像素为一组，因为深度缓存内的数据是按Z字形排列的）逐个像素进行比较
- Late-Z：传统的Z-Test和Z-Write，位于PS阶段之后
- Z-Culling：比Early-Z更粗粒度的深度剔除，以Tile（比如16*16像素）为单位进行整体比较，但是它不会对Z-Buffer直接进行读取和写入，而是只读取存储在On-Chip深度缓冲区（TBR和TBDR架构特有）中的数据，特点是容量小但是速度快
- Hi-Z：一种软件技术，全名Hierarchical-Z，Hi-Z原理很简单，就是根据物体的包围盒所在的屏幕坐标与深度图比较深度 如果被挡住就不提交数据给gpu渲染，一般是采用和上一帧深度图对比 避免重新绘制一遍场景深度。逻辑上是 包围盒覆盖的像素点 挨个都挡住物体，就裁剪物体。但这样需要对比很多个像素性能很差，所以提出了Hi-Z概念。就是把深度图创建出多个mipmaps，mip0 就是 原始深度图信息，mip1 就是1/4 mip0面积大小，4个mip0像素 取最远离相机的那个值写入一个mip1像素，mip2同理不断创建更低精度的图。这样一个物体包围盒 如果是在mip0图上 占据16x16像素。就不用对比256次了，只需要 找到mip4 上一个像素就可以了，因为这一个像素记录的是这16x16像素最远离相机的深度 如果它都挡住了物体那么 那么其他的像素更靠近相机 肯定就能确定整个物体都被挡住了，可以进行剔除了
- Z-PrePass：一种软件技术，顾名思义，即一个渲染Pass，以渲染一个场景为例，会有两个Pass，第一个Pass是Z-PrePass，只计算场景深度值得到Z-Buffer，第二个Pass关闭深度写入，将深度比较函数设置为相等，同Z-PrePass得出的Z-Buffer进行对比，只有相等的才会被绘制。由此可见Z-PrePass必须配合Early-Z，因为如果不用Early-Z，这一系列对比操作会在Late-Z进行，并那这个优化就并没有什么卵用了
- IMR,TBR,TBDR对应三种GPU渲染架构，TBR/TBDR相对于IMR，利用OnChipBuffer高速缓存进行带宽优化，但相比于IMR，其引入了多处latecy（例如顶点转tile，内存->onChip的数据传递，HSR/FPK/LRZ等），降低了整体管线的性能峰值
- HSR/FPK/LRZ：分别对应PowerVR，Arm Mali，Adreno的硬件级OverDraw优化，详细参见：老生新谈 TBDR
Early-Z
Early-Z虽好，但有使用限制：要求PS中不能对深度进行修改
That way, we notice all the rejected pixels early, without wasting a lot of computation on them. However, we can’t always do this: the pixel shader may ignore the interpolated depth value, and instead provide its own depth to be written to the Z-buffer (e.g. depth sprites); or it might use discard, alpha test, or alpha-to-coverage, all of which “kill” pixels/samples during pixel shader execution and mean that we can’t update the Z-buffer or stencil buffer early because we might be updating depth values for samples that later get discarded in the shader!
举个最常见的例子，如果我们对开启Alpha Test的Shader进行Early-Z操作，假设有一个片元A，其深度测试是通过的，并且将会在PS中会因为Alpha Test不通过而被丢弃，如果Early-Z正常运作（执行深度测试和深度写入），那么就会造成片元A的深度已经覆写进Z Buffer里，但是其片元是被丢弃的，也就造成了透明物体遮挡住了不透明物体的渲染错误现象
总结一下，以下情况会导致Early-Z失效：
- 开启Alpha Test：由于Alpha Test需要在像素着色器后面的Alpha Test阶段比较，所以无法在像素着色器之前就决定该像素是否被剔除。
- 开启Alpha Blend：启用了Alpha混合的像素很多需要与frame buffer做混合，无法执行深度测试，也就无法利用Early-Z技术。
- 开启Tex Kill：即在shader代码中有像素摒弃指令（DX的discard，OpenGL的clip）。
- 关闭深度测试。Early-Z是建立在深度测试看开启的条件下，如果关闭了深度测试，也就无法启用Early-Z技术。
- 开启Multi-Sampling：多采样会影响周边像素，而Early-Z阶段无法得知周边像素是否被裁剪，故无法提前剔除。
- 以及其它任何导致需要混合后面颜色的操作。
随着硬件的演化，Early-Z的失效也只影响当前Drawcall的优化，后续Drawcall在情况允许的情况下依旧可以享受Early-Z
那么回到我们一开始的问题：不管有没有Early-Z最后的Late-Z一定会执行 ？
先借用 Dx11 performancereloaded 两张图来说明
我们可以看到第一张流程图是完全舍弃了Late-Z阶段的，但是需要注意的是它的Depth Write是关闭的，如果Depth Write是开启的，情况就会有所不同了
Early-Z技术会导致一个问题：深度数据冲突（depth data hazard）。
例子要结合上图，假设数值深度值5已经经过Early-Z即将写入Frame Buffer，而深度值10刚好处于Early-Z阶段，读取并对比当前缓存的深度值15，结果就是10通过了Early-Z测试，会覆盖掉比自己小的深度值5，最终frame buffer的深度值是错误的结果。
避免深度数据冲突的方法之一是在写入深度值之前，再次与frame buffer的值进行对比：
总结一下，Early-Z执行的情况下，如果不开启Depth Write，Late-Z将不会执行，否则将会执行Late-Z来避免渲染错误
引用
图形学|shader|用一篇文章理解半透明渲染、透明度测试和混合、提前深度测试并彻底理清渲染顺序。
渲染杂谈：early-z、z-culling、hi-z、z-perpass到底是什么？
Compute Shader 进阶应用:结合Hi-Z 剔除海量草渲染
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