浅谈HiZ-buffer

最近在做GPU-Driven Rendering Pipleline相关的技术，在整个pipeline中裁剪是其中非常重要的一环，基于GPU的遮挡裁剪也是众多裁剪算法的一种，它充分利用compute shader并行计算的威力，在加速遮挡查询的同时，可以降低查询的延迟。在实现基于GPU的遮挡裁剪时，我们会使用到一种称为Hierarchical Z-buffer的技术，他是整个遮挡查询的关键所在。那么什么是Hierarchical Z-buffer呢？它的优势又是什么呢？今天就简单解释一下HiZ-buffer的基本原理，在实际的使用过程中，虽然不同游戏使用了不同的优化方法，但是其核心的原理都是一样的。

 

我们假设如下图所示的场景，该图是横切面图，相机是从Z0看向Z1。下面我们就通过该例子来看下，如何使用Hierarchical Z-Buffer来将绿色的物体判定为被遮挡 ，从而将其裁剪掉。

上图中z = 0是近裁剪面，z = 1是远裁剪面。首先我们将遮挡物（红色和蓝色）进行光栅化，得到一个z-buffer，如下图竖着的那根灰色的线就代表了光栅化后的深度值。

 

 

接下来就是最重要的一步，下采样z-buffer，得到一串mipmap层级贴图（该mipmap层级图就称为Hierarchical Z-buffer，或者abbreviated HiZ-buffer）

在下采样的过程中，我们使用的是max操作，也就是说两个相邻的像素下采样为一个像素时，使用两者中最大的那个的值作为下一层级的值。如下图所示：

 

 

由上图可以看出，每一次下采样，都是对上一层级的保守估计，到了第4级就只剩下一个深度值了。由于下采样的时候用的是max操作，所以如果一个物体在level 2中深度值判定为被遮挡，那么它肯定在level 1中也是被遮挡的。

 

得到HiZ-buffer之后，我们就可以基于它来进行遮挡裁剪了：

计算得到绿色物体的AABB包围盒，该包围盒的x-max/min和y-max/min用来决定采样哪一层级的HiZ-buffer（也就是看哪一层级的尺寸能够涵盖包围盒的所有像素），在本例中该AABB包围盒符合level 2，所以我们选择采样level2，从而得到一个z-buffer的保守估计。接下来我们比较aabb.zmin跟我们采样到的深度值，得知aabb.zmin < z-buffer.sample，所以绿色物体是被遮挡的，应该被裁剪掉。

 

 

以上的方法就是基于Hierarchical Z-buffer的遮挡裁剪。可以看出如果没有HiZ-buffer，我们将不得不采样四个样本才能确定一个物体是否被遮挡了，HiZ-buffer大大减少了纹理采样的次数，提高了遮挡查询的效率。

 

我们在文章开头提到了基于GPU的渲染管线，现在该技术也是比较热门的一个概念，我在实际的工作中也将其用在了地形的渲染当中，如果后面有时间，会专门写一系列文章来谈一下GPU-Driven Rendering Pipeline。