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@wyt5818956(Jgno)

グラフィックス勉強のノード＿3.1＿Stencil Test & Z Test

Last updated at Posted at 2022-07-14

3.1 Stencil Test & Z Test

1. Stencil Test （ステンシル）

image-20220628141730506

条件が満たされた時、何かの効果を入れる。

1.1 Stencil Test ができること

1.1.1 Portal

image-20220628142410480

1.1.2 MinionsArt の作品

img img

img

以上の例をまとめると、これらのエフェクトは基本的３つのレイヤーで構成されました。Portalの例では、ドア外、ドア中、ドア。二つのオブジェクトやシーンと一つのマスクで構成された。

1.2 Stencil Test は何ですか

1.2.1 レンダリングパイプラインから考えて

  • StencilTestはPixel Processing 段階中の一環です。
  • StencilTest はプログラムすることができない、配置することができる。

image-20220628143751911

1.2.2 ロジックから考えて

if(referenceValue & readMask comparisonFunction stencilBufferValue&readMask)
    //ピクセル通過
else
    //ピクセル除外
  • referenceValue StencilBuffer中の参考値
  • stencilBufferValue　現在StencilBuffer中の値
  • StrencilBuffer 一般的は８ビット

1.2.3 UnityShaderのStencil

image-20220628150416257

  • referenceValue 参考値
  • readMask writeMask
  • ComparisonFunction 比較方法
    • Greater/GEqual/Less/LEqual/Equal/NotEqual/Always/Never
  • Pass　StencilTest通過した後の操作
  • Fail　StencilTest通過しなかった後の操作
  • ZFail StencilTest通過したが、深度テスト通過しなかった
  • StencilOperation
    • Keep StencilBufferValueを保留する
    • Zero　StencilBufferValue = 0
    • Replace StencilBufferValue = referenceValue
    • IncrSat StencilBufferValue += 1; if(StencilBufferValue >=255) StencilBufferValue = 255;
    • DecrSat StencilBufferValue -= 1; if(StencilBufferValue <=0) StencilBufferValue = 0;
    • Invert StencilBufferValue = ~StencilBufferValue
    • IncrWrap StencilBufferValue += 1; if(StencilBufferValue >255) StencilBufferValue = 0;
    • DecrWrap StencilBufferValue -= 1; if(StencilBufferValue < 0) StencilBufferValue = 255;

1.3 . Stencil Test を応用する

1.3.1 3DカードDemoを真似する

  • 効果stencil01

  • 最初のScene

    image-20220628173602633

  • 実現原理

    • UnityのStencilBufferValue のデフォルト値は０です

    • Maskオブジェクトを レンダリングする

      Stencilの設定

      Comp always いつも通過する、

      Pass replace　通過してから、StencilBufferValue とReferenceValueを交換する

      Mask部分のStencilBufferValue １になります。

      Properties{
 
	_ID("Mask ID", Int) = 1
}
SubShader
{
    Tags
    { 
        "RenderType" = "Opaque"
        "Queue" = "Geometry+1"  //default + 1
    }
    ColorMask 0 //RGBA RGB R,G,B,A,0
    ZWrite off	
    Stencil
    {
        Ref[_ID]
        Comp always //default always  いつも通過する
        Pass replace // default keep　そして値をキープする　
        //Fail keep
        //ZFail Keep
    }
 }

    • Maskedオブジェクトをレンダリングする

      Stencilの設定

      Comp equal　

      if(currentStencilBufferValue == referenceValue)
{
    //レンダリングする
}
else{
    //レンダリングしない
}

      つまり、Mask以外は０ですから、Maskedオブジェクトはレンダリングしない。Mask以内は１ですから。レンダリングする。簡単効果をてきった。

      Pass　Keep　通過したら、変化なし。StencilBufferValue = 1

      Properties
{
    _Color("Color",Color) = (0,0,0,1)
    _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    _Ramp("Toon Ramp(RGB)", 2D) = "Gray" {}
    _ID("Mask ID",Int) = 1
}
SubShader
{
    Tags
    { 
        "RenderType"="Opaque"
        "Queue" = "Geometry+2" //Default + 2  after StencilMask  
    }
    Stencil 
    {
		Ref [_ID]
		Comp equal 
        //Pass Keep default
	}

    • レンダリング順番　Geometry -> Mask(Geometry+1) -> Masked Object(Geometry+2)

1.3.2 Stencil Box

  • 効果

    stencilbox.gif

  • 実現原理は上と同じ、Enumを使ってマテリアルを単独設置する。

    Properties
{
		_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
		_StencilRef("Stencil Ref",float) = 1
		[Enum(UnityEngine.Rendering.CompareFunction)] _SComp("Stencil Comp", Int) = 8
		[Enum(UnityEngine.Rendering.StencilOp)] _SOp("Stencil Op", Int) = 2
}
SubShader
{
	Tags 
	{
		"RenderType" = "Opaque"
		"Queue" = "Geometry+1"
	}
	ColorMask 0
	ZWrite off
		
	Stencil
	{
		Ref[_StencilRef]
		Comp[SComp]
		Pass[_SOp]
	}
}

1.4 . StencilTest まとめ

  • Stencilbufferを用いて一番重要な二つの値：現在StencilBufferの値(StencilBufferValue) とStencilBuffer参考値(referenceValue)。
  • StencilTestは、主にこの二つの値に対して、Never，Always，Less などの比較演算をすること。
  • StencilTest後はその現在StencilBufferの値(StencilBufferValue)に対して更新操作をする、Keep，Zero，Replace，IncrSat，DecrSatなどを使用する。
  • StencilTest後はピクセルを操作こと、Pass、Fail、ZFailなど

1.5. その他の用途

  • OutLine

    • 効果

      image-20220629085348566

    • 原理

      Stencil {
     Ref 0          //0-255
     Comp Equal     //default:always
     Pass IncrSat   //default:keep
     Fail keep      //default:keep
     ZFail keep     //default:keep
}
/*
Pass 1 オブジェクトをレンダリングする、
そしてStencilTest通過して、IncrSat操作
StencilBufferValue + 1
*/
Pass{}
/*
Pass 2 頂点を拡大する
StencilBufferValueは1ですから、StencilTestを失敗て。
拡大の部分だけは現在StencilBufferValueは0の部分でレンダリングする
*/
Pass
{
	...
	 o.vertex= v.vertex+ normalize(v.normal)*_OutLineWidth;
	...
	return _OutLineColor;
	...
}

  • ポリコン充填

    • 効果

      image-20220629092330429

      image-20220629094157682

    • 原理 Pass 1　レンダリング　StencilTest通過　+1、残ったPassはstencilValue2,3,4でレンダリングする

      Pass{
    Stencil {
        Ref 0          
        Comp always    
        Pass IncrWrap  
    }
}
Pass{
    Stencil {
        Ref 2     
        Comp Equal
        Pass keep 
        Fail keep 
        ZFail keep
    }
}
Pass{
    Stencil {
        Ref 3     
        Comp Equal
        Pass keep 
        Fail keep 
        ZFail keep
    }
}
Pass{
    Stencil {
        Ref 4     
        Comp Equal
        Pass keep 
        Fail keep 
        ZFail keep
    }
}

  • 反射　

    • 効果

      image-20220629100859033

    • 原理

      SimpleStencilReflection

      //正常描画する
Pass{}
//頂点を変換して　StencilValueを１を設定して　CompをEqualにする
Pass
{
     Stencil {
                Ref 1          //0-255
                Comp Equal     //default:always
                Pass keep   //default:keep
                Fail keep      //default:keep
                ZFail keep     //default:keep
       }
       ZTest Always // 深度テストalways通過する
       
      ...
       //頂点をReflect
       v.vertex.xyz=reflect(v.vertex.xyz,float3(-1.0f,0.0f,0.0f));
	   v.vertex.xyz=reflect(v.vertex.xyz,float3(0.0f,1.0f,0.0f));
      ...
}

      SimpleMirror　//Mirro部分のStencilValueを１にする

      Stencil {
    Ref 0       
    Comp always 
    Pass IncrSat
    Fail keep   
    ZFail keep  
}

  • ShadowVolume (シャッドー・ボリューム)

    • 原理 : 方法はいくつありますが。このDemoはDepthFailを使います。Carmack’s reverseと呼ばれます

      1. 通常レンダリングします

      2. ShadowVolumeを計算する、

        image-20220629150526200

      3. Pass1はCull Front, StencilTest中で、深度テスト失敗した場合、このピクセル見えない。StencilValue+1

      4. Pass2はCull Back 深度テスト失敗した場合、StencilValue - 1

        対象A、CullFront　深度テスト失敗 +1 Cull Back 深度テスト失敗 -1 結果0

        対象B、CullFront　深度テスト失敗 +1 CullBack 深度テスト成功 +0　結果1

        対象C、CullFront　深度テスト成功 +0 CullBack 深度テスト成功 +0　結果0

      5. この二つのPass経過して、StencilBufferValue = 1の部分で影を描画する。

      Pass
{
    Cull Front          
    Stencil {           
        Ref 0           //0-255
        ZFail IncrWrap  //default:keep
    }
    ColorMask 0         //Color write Off
}
pass
{
     Cull Back          
     Stencil {
         Ref 0           //0-255
         ZFail DecrWrap  //default:keep
     }
     ColorMask 0        
}
pass
{
      Cull Back          
      Stencil {
         Ref 1          //0-255
         Comp equal     //default:always
       }
}

    • 効果

      これはStencilTest勉強のため、StencilBufferの役割を示すだけです。ShadowVolumeを動的生成ではない、Unityのデフォルトジオメトリの円柱を使ってShadowVolumeを粗雑に模倣しました。

      image-20220629175444858

2. 深度テスト（Depth Test/ Z-Test）

2.1 深度テストは何ですか

  • レンダリングパイプライン中、PixelProcessingの中、StecilTestとBlendingの間image-20220628143751911

  • ロジックから理解する

    if(ZWrite On && (currentDepthValue ComparisionFunction DepthBufferValue)){
  	DepthValue更新する
}else{
    無視する
}

if(currentDepthValue ComparisionFunction DepthBufferValue){
    色バッファに書き込み
}
else
{
     色バッファに書き込まない
}

    StencilTestと似ている、通過したかどうか深度値を基づいて判断する、通過したら、色バッファに書き込む、しなかったら、無視する。

2.2 基本原理と使用方法

  • Z-buffer 一般的は24ビット

  • ZWrite On && ZWrite Off && ZTest

    1. ZTest pass Zwrite On : Z-bufferに書き込み、色バッファに書き込み
    2. ZTest pass Zwrite Off : Z-bufferに書き込まない、色バッファに書き込み
    3. ZTest fail Zwrite On : Z-bufferに書き込まない、色バッファに書き込まない
    4. ZTest fail Zwrite Off : Z-bufferに書き込まない、色バッファに書き込まない

  • ZTestの比較操作

    ZTest の比較ルール
    Greater 現在の深度＞ZBufferの深度
    LEqual <=
    Less <
    GEqueal >=
    Equal ==
    NotEqual !=
    Always(Off) いつも通過する
    Never いつも通過しない

    デフォルトの状態

    • ZWrite : On
    • ZTest : LEqual
    • Zbufferのデフォルト値は1.0

  • Unityのレンダリングキュー

    数値は小さいほうのキューは先にレンダリングする。

    Unity内蔵キュー
    Background（1000） 最初でレンダリングされたオブジェクトの待ち行列
    Geometry(2000) 不透明なオブジェクトをレンダリングする、UnityShaderのデフォルト行列
    AlphaTest(2450) 透明なオブジェクト&&AlphaTestが必要なオブジェクトでここでレンダリングするとGeometryより効率がいい
    Transparent(3000) 半透明のオブジェクト、一般的はZWriteOffのオブジェクト、AlphaBlendなど
    Overlay(4000) 最後でレンダリングされたオブジェクトの待ち行列、一般的はカメラエフェクトなと
    • 不透明なオブジェクトのレンダリング順番：前からレンダリングする
    • 透明なオブジェクトのレンダリング順番：後ろからレンダリングする(OverDraw)

2.3 EazyZ 技術紹介

  • 従来のレンダリングパイプラインは、ZTestはBlendingステージにある、深度テストが実行されると、すべてのオブジェクトのピクセルシェーダが一度計算され、性能向上はなく、正しい効果を得るためだけに多くの無駄な計算が行われます（深度テストに失敗したピクセルは、すでに計算されたものであり、つまり、次のステップでテストが失敗して破棄されるまでは、それまでの計算は無意味です）

  • このような不要な計算を減らすために、現代のGPUでは、頂点とピクセルステージの間（ラスタライズ後、ピクセルステージの前）で深度テストを行うEarly-Zテクニックを採用しています

    • もしここの深度テスト失敗した、後のピクセル計算は必要ないです。性能向上になります
    • 正しいオブジェクトの前後関係を確認するために、最終的なZTestをまだ実行する必要があります
    • 前のZ-Cullは性能向上のため、後ろのZ-Checkは正しいオブジェクトの前後関係を確認するため

    image-20220630082959278

    image-20220630083518424

2.4 深度値

image-20220630092649693

  • 何でz/wを深度バッファに書き込むですか。

    1. 深度バッファの範囲は[0~1]の間、深度値を[0~1]の間に変換するには一つの方法はリニア変換(near/far はカメラのfrustum)

      image-20220630093256383

      image-20220630093548786

      実際にはノンリニア変換を使う

      image-20220630094358614

      image-20220630094419116

      人の目は近いものを見るち精度が高い、遠いものを見ると精度が低い、ノンリニアグラフは人の目と似ている。

      1. Z-Fight 原因

        二つの三角形が互いに密接に平行である場合、深度バッファの精度が足りない、どれが前かわからないことがある。

        ノンリニアを使うと、近いもの精度が高いで、ZFightは出現しにくい、遠いものはZ-Fightがあったとしても、遠いものだから、気づかない。

        もちろんZFightを避けるが必要です。

        • 物理的、オブジェクトを近すぎように注意する。

        • CameraのNearPlaneを近くに設置する

        • すこし性能を犠牲し、深度バッファを精度を上げる。深度バッファの値は一般的は24ビットです。現代のGPUは32ビットの深度バッファもう支持する。

        • UnityShaderは Offsetを設置することでZFightを避ける

          Offset -1, -1

2.5 深度テストを応用する

  • ZWrite ZTest　をいくつ実験をする。

    Ztest 01

    1. 正常描画
    2. 赤をZWriteOffにして。赤部分の深度値はデファクト値1.0、青の深度値＜＝1.0、青の深度値を深度バッファに書き込む
    3. 青のZTest をAlways通過する、比較なしで、青の深度値を深度バッファに書き込む
    4. 青と緑もZTestをAlways通過する、比較なしで、青と緑の深度値を深度バッファに書き込む、同じレンダリングキュー（Geometry）のレンダリング順番は前から始まるので、緑が青の深度値を上書きした。
    5. 青と緑もZTestをAlways通過する、青のレンダリングキュー+1（Geometry+1）,青が緑の深度値を上書きした。
    6. 青のZTest をGreaterに設定、デフォルト値＞緑の深度値＞青の深度値＞赤の深度値、青と赤が交差する部分だけ、青深度テスト成功した。

  • XRay

    • 効果

      ZTestXray.gif

    • 原理

      • 三つの部分：壁、オブジェクト、X-Ray効果

      • XrayはZTest Greaterを設定する。

      • オブジェクト　は　デフォルト値

        Pass //RenderXray
{
	　Tags{"RenderType" = "Transparent" "Queue" = "Transparent"}
      Blend SrcAlpha One // 
      ZTest Greater
      ZWrite Off
      Cull Back
}
Pass //Normal　Rendering
{}

    • 一つ現象があります。XRayPassを "Queue" = "Transparent"設定しましたが、FrameDebugの中はOpaqueGeometry中にいる、そしてXRay効果はNormalRenderingの前です。

      実はオブジェクトはmulti-passシェーダーを使うとUnityはそのシェーダーの中一番小さいキューを選択する、オブジェクトをこのキューに入れる、（Geometry(2000)＜TransParent(3000)）このオブジェクトはGeometryの中でレンダリングする、それからPassの書き順番を基づいてPassを実行する。XRay効果はNormalRenderingの前になります。

      image-20220630133318610

  • パーティークルのテスト

    • デファクトのパーティークル、透明です。

      image-20220630135944244

    • 理解を深めるため、UnlitShaderを作って、パーティークルのデフォルトマテリアルを変える。

      image-20220630140831981

    • どうすればデフォルトの状態に戻るか

      • まずQueue　= Transparent
      • ZWrite Off 透明オブジェクトですから
      • ZTest LEqual (default)
      • Blend 操作　one one　

      image-20220630141228640

2.6 深度テストまとめ

  • 深度テスト重要な二つの値、現在の深度バッファ値(ZBufferValue)と深度参考値(reference)
  • Unityのレンダリング順番、不透明オブジェクト、前から、透明なオブジェクト、後ろから
  • ZWriteとZTestの使用透明なオブジェクトのレンダリングをコントロールできる。
  • EarlyZ技術
  • 深度バッファの値は「o～１」、ノンリニア。

2.7 その他の用途

Project

参考資料

Real-Time Rendering 4th Edition

Shadow Algorithms

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