WebGPU学习（四）:Alpha To Coverage

大家好，本文学习与MSAA相关的Alpha To Coverage以及在WebGPU中的实现。

上一篇博文
WebGPU学习（三）:MSAA

下一篇博文
WebGPU学习（五）: 现代图形API技术要点和WebGPU支持情况调研

学习Alpha To Coverage

前置知识

• WebGPU学习（三）:MSAA
• 一个fragment对应一个像素

介绍

开启了MSAA和Alpha To Coverage后，fragment的alpha值（fragment shader输出的颜色的alpha值）会影响该fragment对应像素的采样点是否被覆盖。

动机

参考乱弹纪录II:Alpha To Coverage：

原理

覆盖检测

通过WebGPU学习（三）:MSAA对MSAA原理的介绍，我们知道gpu要经过覆盖检测的步骤，来决定哪些采样点被覆盖。没有被覆盖的采样点不会进入“解析”步骤。

覆盖检测的结果是计算出每个fragment的coverage（覆盖率）。

根据乱弹纪录II:Alpha To Coverage 的说法，开启MSAA后，每个fragment带了一个新属性coverage（覆盖率），它是一个二进制的bit掩码mask。

以4X MSAA为例，每个fragment的coverage为xxxx，其中x为0或1。它的每一位对应像素的一个采样点sample，0表示该sample没被覆盖，1表示被覆盖。

所以coverage这个掩码对应了采样点的覆盖情况。

如何计算coverage

1.用户可以设置一个固定的coverage掩码，这里命名为FixedSampleMask

2.gpu检测每个像素有哪些采样点被primitive覆盖，得到该采样点的coverage掩码，这里命名为RasterizerCoverageMask

3.如果开启了Alpha To Coverage，则会将fragment的alpha值转换为coverage掩码，这里命名为AlphaCoverageMask

转换的算法可以参考乱弹纪录II:Alpha To Coverage ：

一个fragment的Alpha值在0~1间，它对应着一个dither mask。还是以4XMSAA为例，这个dither mask也是xxxx的形式，Alpha为0对应了0000，alpha为1对应了1111，至于中间的值的对应关系，OpenGL是交由显卡制造商决定的——其实一般就是类似[0~0.249 -> 0000, 0.25~0.499 -> 0001, 0.5~0.749 -> 0011, 0.75~0.99-> 0111]这样。

4.fragment shader可以输出该fragment的coverage掩码，这里称为FragShaderSampleMaskOutput

像素最终的coverage = FixedSampleMask & RasterizerCoverageMask & AlphaCoverageMask & FragShaderSampleMaskOutput
（“&”是逻辑与运算，如0011 & 0010 = 0010）

参考资料

乱弹纪录II:Alpha To Coverage

WebGPU实现Alpha To Coverage

暂时没有实现的sample，我们根据WebGPU规范和相关资料，分析下WebGPU如何实现Alpha To Coverage。

• 在render pipeline descriptor中设置固定的coverage掩码FixedSampleMask和是否开启Alpha To Coverage：

dictionary GPURenderPipelineDescriptor : GPUPipelineDescriptorBase {
...
    unsigned long sampleMask = 0xFFFFFFFF;
    boolean alphaToCoverageEnabled = false;
...    
};

我们注意到sampleMask是unsigned long类型，它是32位的，而coverage应该是二进制的（如4X MSAA的coverage是4位的二进制），所以这里是进行了进制转换。

举例来说：
对于4X MSAA，如果设置sampleMask为0x1（十六进制），则它转换为二进制是0001；
如果设置sampleMask为0x3，则它转换为二进制是0010

• 可以在fragment shader中设置输出的coverage掩码FragShaderSampleMaskOutput

根据Investigation: Multisample Coverage，我们知道Vulkan->SPIR-V的fragment shader支持内置的SampleMask变量。

因为Chrome实现的WebGPU也使用SPIR-V作为shader编译后的字节码，所以WebGPU在这点上应该与Vulkan类似。

我没有搜索到SPIR-V中关于SampleMask的详细资料，但是考虑到Chrome实现的WebGPU使用GLSL 4.5，所以我们可以看下它关于gl_SampleMask的说明：

Name
gl_SampleMask — specifies the sample coverage mask for the current fragment
Declaration
out int gl_SampleMask[] ;

我们看到gl_SampleMask的每个元素的类型是32位的，所以也进行了进制转换。

又因为它是数组，所以它支持coverage为超过32位的二进制（如支持64X MSAA）

用代码来说明：

//in fragment shader

gl_SampleMask[0] = 1;   //对于4X MSAA来说，相当于设置该fragment的coverage为0001

//in fragment shader

gl_SampleMask[0] = 2;

gl_SampleMask[1] = 1;   //对于64X MSAA来说，可能相当于设置该fragment的coverage为000...1000...10 （前面的000...1有32位，后面的000...10有32位） (我不能确定这是否正确！)

• 如果开启了Alpha To Coverage，则不能在fragment shader中输出coverage掩码

• 如果开启了Alpha To Coverage，将alpha转换为掩码的算法在不同的浏览器中不一样

参考资料

Investigation: Multisample Coverage
Minutes for GPU Web meeting 2019-04-29
OpenGL->gl_SampleMask