1. 深度缓冲（Depth Buffer 或 Z-Buffer）

光栅化之后，屏幕上每个像素可能对应多个片元——多个三角形在投影后会互相重叠，同一个像素可能被多个三角形覆盖。最终该显示哪个片元，需要判断谁离摄像机最近。深度缓冲（depth buffer）就是为此设计的存储结构，也是深度测试（depth test）的基础。

1.1 帧缓冲区与深度缓冲

先分清两个容易混淆的缓冲。

帧缓冲区（frame buffer，这里特指颜色缓冲 color buffer）保存每个像素最终显示的颜色；深度缓冲（depth buffer，也称 Z-Buffer，因为存的是 z 坐标）保存每个像素当前最近的深度值。

缓冲	存储内容	每个像素存什么	用途
帧缓冲区（frame buffer）	颜色	一个颜色值（RGB）	最终显示
深度缓冲（depth buffer / z-buffer）	深度	一个深度值（z）	可见性判断

二者有两个重要的关系：

并列结构：帧缓冲与深度缓冲是两块并列的存储，尺寸与屏幕分辨率相同、逐像素一一对应——第 $(x, y)$ 个像素对应帧缓冲里的一个颜色、深度缓冲里的一个深度。它们不是包含关系，而是两条平行数据。
同时生成：在光栅化与片元处理过程中，每处理一个片元，两个缓冲被同步更新——深度测试通过时，既把片元颜色写入帧缓冲，也把它的深度写入深度缓冲。

注：严格来说，OpenGL 中 framebuffer（帧缓冲）是颜色、深度、模板等多个缓冲的集合，其中颜色部分叫 color buffer。本篇笔记沿用图形学课程的惯例，用"帧缓冲区"指代颜色缓冲，与深度缓冲并列讨论。具体的OpenGL中的 FBO 见帧缓冲

1.2 画家算法

在深度缓冲之前，最直观的隐藏面消除（hidden surface removal，决定谁遮挡谁）方案是画家算法（painter’s algorithm）：像画家画画一样，从远到近依次绘制三角形，后画的覆盖先画的，近处的自然盖住远处的。

画家算法有两个问题：

需要排序：绘制前必须把所有三角形按深度排序，场景复杂时开销很大，而且三角形的深度排序本身并不简单；
循环遮挡无法排序：三个三角形 A 挡 B、B 挡 C、C 挡 A 时，不存在"从远到近"的合法顺序，算法直接失效。

1.3 深度缓冲算法

深度缓冲算法（Z-Buffer algorithm）换了一个思路：不排序三角形，而是逐像素比较深度。每个像素记录"当前最近的深度"，新片元只有比它更近（深度更小）时才替换：

// 伪代码：深度缓冲算法
for (每个三角形)
    for (三角形覆盖的每个像素 (x, y))
        if (fragment.depth < depth_buffer[x][y])
            depth_buffer[x][y] = fragment.depth    // 更新深度缓冲
            frame_buffer[x][y] = fragment.color    // 更新帧缓冲（颜色缓冲）

算法的主要性质：

不需要对三角形排序，总开销与三角形数量成线性关系；
与处理顺序无关：只要深度比较正确，无论三角形按什么顺序光栅化，每个像素最终都保留最近的片元；
深度相等的片元需要约定处理方式（比如不更新），否则相邻三角形共享边时可能出现闪烁。

1.4 深度精度

透视投影在挤压（squish）时把 z 坐标非线性压缩：离摄像机越近精度越高、越远精度越低（见视图（摄像机）与投影的注）。这带来一个实际可见的问题——z-fighting（深度冲突）：两个距离很近的表面（比如地面上叠放的一张纸），在远处时深度值几乎相同，深度测试结果不稳定，画面交替闪烁。

缓解办法：

近平面与远平面的比值不要过大（near/far 相差太多会加剧非线性压缩）；
使用更高精度的深度缓冲格式（如 24 位而非 16 位）；
反转 z（reverse-z）：把近处映射到大深度值，利用浮点数在 0 附近精度更高的特性。