Shader 模板缓冲和模板测试

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模板缓冲的概念

Unity官方的Shader文档根本没有提到这个玩意，这个概念也是看到了UGUI build-in shader 的Mask实现才发现了这个部分。 先说一下基础知识，在图形学中一个像素会有如下缓存：

• 颜色缓存color buffer/pixel buffer：储存该点即将显示的颜色，RGBA值
• 深度缓存depth buffer/z buffer：储存该点的深度,z
• 模板缓存stencil buffer：通常用作限制渲染区域。 更高级用法需结合深度缓冲，例如某像素的模板缓冲值会随着其是否通过深度缓冲测试而改变。
• 累积缓存Accumulation Buffer: 与颜色缓冲类似，同样储存一个RGBA值。累积缓存是为合成多幅图像而设计的，累积缓存提供了一种在保持好的颜色分辨率下实现在场景中“多重曝光（multiple exposures）”的方法。使用累积缓存可以产生许多图像效果来提高图像的真实性，其中包括：反走样、运动模糊、软阴影、深度域（景深）和卷积。要产生这些效果，必须将图像渲染多次，对场景位置（或所选的物体）进行微小的、渐增的改变，然后累积结果。

stencil与颜色缓冲区和深度缓冲区类似，模板缓冲区可以为屏幕上的每个像素点保存一个无符号整数值(通常的话是个8位整数)。这个值的具体意义视程序的具体应用而定。在渲染的过程中，可以用这个值与一个预先设定的参考值相比较，根据比较的结果来决定是否更新相应的像素点的颜色值。这个比较的过程被称为模板测试Stencil Test。模板测试发生在透明度测试（alpha test）之后，深度测试（depth test）之前。如果模板测试通过，则相应的像素点更新，否则不更新。图形渲染管线中，基于单个像素的测试操作的顺序如下图

相关语法

上图是UGUI中Image的默认Shader,最后一张是通用的stencil格式

• Ref用来设定参考值referenceValue，这个值将用来与模板缓冲中的值进行比较。referenceValue是一个取值范围位0-255的整数。
• ReadMask 从字面意思的理解就是读遮罩，readMask将和referenceValue以及stencilBufferValue进行按位与（&）操作，readMask取值范围也是0-255的整数，默认值为255，二进制位11111111，即读取的时候不对referenceValue和stencilBufferValue产生效果，读取的还是原始值。
• WriteMask是当写入模板缓冲时进行掩码操作（按位与&），writeMask取值范围是0-255的整数，默认值也是255，即当修改stencilBufferValue值时，写入的仍然是原始值。
• Comp是定义参考值（referenceValue）与缓冲值（stencilBufferValue）比较的操作函数，默认值：always 
• Pass是定义当模板测试（和深度测试）通过时，则根据（stencilOperation值）对模板缓冲值（stencilBufferValue）进行处理，默认值：keep
• Fail是定义当模板测试（和深度测试）失败时，则根据（stencilOperation值）对模板缓冲值（stencilBufferValue）进行处理，默认值：keep
• ZFail是定义当模板测试通过而深度测试失败时，则根据（stencilOperation值）对模板缓冲值（stencilBufferValue）进行处理，默认值：keep

Comp，Pass,Fail 和ZFail将会应用给Cull Back（只渲染前面的几何体），除非Cull Front被指定，在这种情况下就是Cull Front（只渲染背面的几何体）。你也可以精确的指定双面的模板状态通过定义CompFront，PassFront，FailFront，ZFailFront（当模型为front-facing geometry(Cull Back)使用）和ComBack，PassBack，FailBack，ZFailBack（当模型为back-facing geometry(Cull Font)使用）

测试的判断依据

和深度测试一样，在unity中，每个像素的模板测试也有它自己一套独立的依据，具体公式如下：

if（referenceValue&readMask comparisonFunction stencilBufferValue&readMask）

通过像素

else

抛弃像素

在这个公式中，主要分comparisonFunction的左边部分和右边部分

referenceValue是有Ref来定义的，这个是由程序员来定义的，readMask是模板值读取掩码，它和referenceValue进行按位与（&）操作作为公式左边的结果，默认值为255，即按位与（&）的结果就是referenceValue本身。

stencilBufferValue是对应位置当前模板缓冲区的值，同样与readMask做按位掩码与操作，结果做为右边的部分。

comparisonFunction比较操作通过Comp命令定义，公式左右两边的结果将通过它进行判断，其取值及其意义如下面列表所示。

Greater	相当于“>”操作，即仅当左边>右边，模板测试通过，渲染像素
GEqual	相当于“>=”操作，即仅当左边>=右边，模板测试通过，渲染像素
Less	相当于“<”操作，即仅当左边<右边，模板测试通过，渲染像素
LEqual	相当于“<=”操作，即仅当左边<=右边，模板测试通过，渲染像素
Equal	相当于“=”操作，即仅当左边=右边，模板测试通过，渲染像素
NotEqual	相当于“!=”操作，即仅当左边!=右边，模板测试通过，渲染像素
Always	不管公式两边为何值，模板测试总是通过，渲染像素
Never	不敢公式两边为何值，模板测试总是失败 ，像素被抛弃

更新缓冲值

在上一步的模板测试之后，无论模板测试通过与否，都要对模板进行相应的更新。具体到怎么更新，则由程序员自己定义。上面关于模板缓冲语法中，Pass，Fail，ZFail等命令就是根据不同判断条件对模板缓冲区的值（stencilBufferValue）进行更新的操作，这些命令取值（stencilOperation）的类型及意义如下面列表所示：

Keep	保留当前缓冲中的内容，即stencilBufferValue不变。
Zero	将0写入缓冲，即stencilBufferValue值变为0。
Replace	将参考值写入缓冲，即将referenceValue赋值给stencilBufferValue。
IncrSat	stencilBufferValue加1，如果stencilBufferValue超过255了，那么保留为255，即不大于255。
DecrSat	stencilBufferValue减1，如果stencilBufferValue超过为0，那么保留为0，即不小于0。
Invert	将当前模板缓冲值（stencilBufferValue）按位取反
IncrWrap	当前缓冲的值加1，如果缓冲值超过255了，那么变成0，（然后继续自增）。
DecrWrap	当前缓冲的值减1，如果缓冲值已经为0，那么变成255，（然后继续自减）  。