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第八章 · 深度测试与模板测试 ​

8.1 深度测试概述 🔥 ​

深度缓冲（Depth Buffer / Z-Buffer）:
────────────────────────────────

屏幕:                          深度缓冲:
┌─────────┐                   ┌──────────────┐
│         │    对应    ─────▶   │ 0.0   0.1   │
│         │                       0.2   0.3   │
│         │                       ...   ...   │
└─────────┘                   └──────────────┘

每个像素除了颜色值外，还有一个深度值
绘制时比较深度值决定像素是否可见

默认:
  - 深度测试启用
  - 深度写入启用
  - 比较操作: LESS_OR_EQUAL（近处遮挡远处）

8.2 深度缓冲创建 ​

8.2.1 深度附件 ​

python
import vkbottle

# --- 创建深度 Image ---
depth_image_create_info = vkbottle.ImageCreateInfo(
    imageType=vkbottle.ImageType._2D,
    format=vkbottle.Format.D32_SFLOAT,  # 或 D24_UNORM_S8_UINT
    extent=vkbottleExtent(swapchain_image_extent.width, swapchain_image_extent.height, 1),
    mipLevels=1,
    arrayLayers=1,
    samples=vkbottle.SampleCountFlagBits._1,  # MSAA 时设为 _4 等
    tiling=vkbottle.ImageTiling.OPTIMAL,
    usage=vkbottle.ImageUsageFlag.DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT,
    sharingMode=vkbottle.SharingMode.EXCLUSIVE,
    initialLayout=vkbottle.ImageLayout.UNDEFINED,
)
depth_image = device.create_image(depth_image_create_info)

# --- 分配内存 ---
depth_mem_reqs = depth_image.get_memory_requirements()
depth_mem_alloc = vkbottle.MemoryAllocateInfo(
    allocationSize=depth_mem_reqs.size,
    memoryTypeIndex=find_memory_type_index(
        device.get_memory_properties(),
        depth_mem_reqs.memoryTypeBits,
        vkbottle.MemoryPropertyFlag.DEVICE_LOCAL,
    ),
)
depth_image_memory = device.allocate_memory(depth_mem_alloc)
device.bind_image_memory(depth_image, depth_image_memory, 0)

# --- 创建 Image View ---
depth_image_view = device.create_image_view(
    image=depth_image,
    format=vkbottle.Format.D32_SFLOAT,
    viewType=vkbottle.ImageViewType._2D,
    subresourceRange=vkbottle.ImageSubresourceRange(
        aspectMask=vkbottle.ImageAspectFlag.DEPTH_BIT,
        baseMipLevel=0,
        levelCount=1,
        baseArrayLayer=0,
        layerCount=1,
    ),
)

8.2.2 深度格式选择 ​

格式深度模板大小说明
D32_SFLOAT3204 bytes高精度（无模板）
D24_UNORM_S8_UINT2484 bytes均衡 ✅
D16_UNORM1602 bytes低精度
X8_D24_UNORM2484 bytes带模板
D32_SFLOAT_S8_UINT3284 bytes最高精度

8.3 深度测试配置 ​

8.3.1 Pipeline 中的深度测试 ​

python
# 在 Pipeline 创建时设置深度测试参数
depth_stencil_info = vkbottle.DepthStencilStateCreateInfo(
    depthTestEnable=vkbottle.Bool(1),        # 启用深度测试
    depthWriteEnable=vkbottle.Bool(1),        # 启用深度写入
    depthCompareOp=vkbottle.CompareOp.LESS,   # 比较操作
    depthBoundsTestEnable=vkbottle.Bool(0),   # 深度范围测试
    minDepthBounds=0.0,                        # 最小深度
    maxDepthBounds=1.0,                        # 最大深度
    stencilTestEnable=vkbottle.Bool(0),        # 模板测试
    front=vkbottle.StencilOpState(),
    back=vkbottle.StencilOpState(),
)

8.3.2 深度比较操作 ​

操作说明适用场景
NEVER永远不通过调试
LESS近处遮挡远处默认 ✅
EQUAL相等通过特殊效果
LESS_OR_EQUAL近处或相等通过标准深度测试
GREATER远处遮挡近处反常规
NOT_EQUAL不相等通过特殊效果
GREATER_OR_EQUAL远处或相等通过反常规
ALWAYS永远通过调试

8.4 模板测试 ​

8.4.1 模板缓冲创建 ​

python
# --- 创建模板缓冲 ---
# 通常与深度缓冲合并（D24_S8 格式）
# 或使用独立的模板附件

stencil_attachment = vkbottle.AttachmentDescription(
    format=vkbottle.Format.S8_UINT,  # 8-bit 模板
    samples=vkbottle.SampleCountFlagBits._1,
    loadOp=vkbottle.AttachmentLoadOp.CLEAR,
    storeOp=vkbottle.AttachmentStoreOp.DONT_CARE,
    stencilLoadOp=vkbottle.AttachmentLoadOp.CLEAR,
    stencilStoreOp=vkbottle.AttachmentStoreOp.DONT_CARE,
    initialLayout=vkbottle.ImageLayout.UNDEFINED,
    finalLayout=vkbottle.ImageLayout.DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL,
)

8.4.2 模板测试配置 ​

python
# --- Pipeline 中启用模板测试 ---
stencil_state = vkbottle.StencilOpState(
    failOp=vkbottle.StencilOp.KEEP,        # 模板测试失败
    depthFailOp=vkbottle.StencilOp.KEEP,   # 深度测试失败
    passOp=vkbottle.StencilOp.REPLACE,     # 模板测试通过
    compareOp=vkbottle.CompareOp.ALWAYS,    # 比较操作
    compareMask=0xFF,                        # 比较掩码
    writeMask=0xFF,                          # 写入掩码
    reference=0,                             # 参考值
)

depth_stencil_info = vkbottle.DepthStencilStateCreateInfo(
    depthTestEnable=vkbottle.Bool(1),
    depthWriteEnable=vkbottle.Bool(1),
    depthCompareOp=vkbottle.CompareOp.LESS_OR_EQUAL,
    depthBoundsTestEnable=vkbottle.Bool(0),
    minDepthBounds=0.0,
    maxDepthBounds=1.0,
    stencilTestEnable=vkbottle.Bool(1),      # 启用模板测试
    front=stencil_state,
    back=stencil_state,
)

8.4.3 模板操作 ​

操作说明
KEEP保持模板值不变
ZERO设为 0
REPLACE设为参考值（Reference）
INCREMENT+1（溢出后保留最大值）
INCREMENT_AND_WRAP+1（溢出后回到最小值）
DECREMENT-1（下溢后保留最小值）
DECREMENT_AND_WRAP-1（下溢后回到最大值）
INVERT按位取反

8.4.4 模板比较操作 ​

操作说明
NEVER永远不通过
ALWAYS永远通过
LESS参考值 < 模板值
EQUAL参考值 = 模板值
LESS_OR_EQUAL参考值 ≤ 模板值
GREATER参考值 > 模板值
NOT_EQUAL参考值 ≠ 模板值
GREATER_OR_EQUAL参考值 ≥ 模板值

8.5 深度偏移（Depth Bias） ​

python
# --- 配置深度偏置 ---
rasterization_info = vkbottle.RasterizationStateCreateInfo(
    depthClampEnable=vkbottle.Bool(0),
    rasterizerDiscardEnable=vkbottle.Bool(0),
    polygonMode=vkbottle.PolygonMode.FILL,
    cullMode=vkbottle.CullModeFlag.BACK,
    frontFace=vkbottle.Face.FRONT_CCW,
    depthBiasEnable=vkbottle.Bool(1),    # 启用深度偏置
    depthBiasConstantFactor=0.0,           # 常量偏移
    depthBiasClamp=0.0,                    # 常量偏移限制
    depthBiasSlopeFactor=0.0,              # 斜率偏移
    lineWidth=1.0,
)

# --- 用途: 解决阴影 acne（阴影自遮挡）---
# 将深度值略微增加，防止表面自身被误遮挡

8.6 渲染顺序 ​

渲染顺序对深度测试的影响:

正确（按深度排序）:
  1. 远处物体 → 写入深度
  2. 近处物体 → 深度测试通过
  3. 正确遮挡 ✅

错误（不按深度排序）:
  1. 近处物体 → 写入深度
  2. 远处物体 → 深度测试失败 ❌
  3. 丢失深度信息

透明物体:
  - 关闭深度写入（depthWriteEnable=0）
  - 仍进行深度测试
  - 必须从后往前排序 ✅

8.7 深度/模板速查 ​

概念配置位置
深度测试depthStencilState.depthTestEnable
深度写入depthStencilState.depthWriteEnable
深度比较depthStencilState.depthCompareOp
深度偏移rasterizationState.depthBiasEnable
模板启用depthStencilState.stencilTestEnable
模板操作front/back.failOp/passOp/depthFailOp
模板比较front/back.compareOp
深度附件AttachmentDescription(format=D24_S8...)
深度 ImageImage(format=D32_SFLOAT...)