半透明物体渲染

需要预先学习：

• 着色与渲染管线
• 深度缓冲
• 帧缓冲

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1. 透明与混合

玻璃、水面、烟雾、粒子——真实感场景离不开半透明。不透明物体的遮挡由深度缓冲解决，谁近谁显示，与顺序无关（见 深度缓冲）；半透明则不同：它的颜色要与背后已经画好的内容按比例叠加，而"按比例叠加"天然依赖顺序。这篇笔记讨论半透明渲染的所有关键问题：混合怎么做、顺序怎么排、什么时候可以不排序、以及不排序的精确方案（OIT）。

1.1 alpha 通道

颜色由 RGBA 四个分量组成，第四个分量 alpha 表示不透明程度，范围 $[0, 1]$：

alpha	含义
1	完全不透明，正常覆盖背后内容
0	完全透明，不可见
0 ~ 1	半透明，与背后内容按比例混合

1.2 over 混合方程

半透明合成使用 over 操作符：源颜色（source，即将写入的片元）以自身 alpha 为权重，覆盖目标颜色（destination，颜色缓冲中已有的内容）：

$$C_{result} = \alpha_s \cdot C_{src} + (1 - \alpha_s) \cdot C_{dst}$$

一堵 $\alpha = 0.3$ 的蓝色玻璃墙，最终颜色就是 30% 的玻璃色加 70% 的背景色。

1.3 OpenGL 中的混合

混合发生在深度测试通过之后、颜色写入之前（见 帧缓冲 的写入时机），相关 API：

glEnable(GL_BLEND);                                      // 混合默认关闭
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);       // over 操作符
glBlendEquation(GL_FUNC_ADD);                            // 默认：加法
glBlendFuncSeparate(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA,
                    GL_ONE, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);     // RGB 与 A 分开设置

glBlendFunc 指定源与目标的权重因子，glBlendFuncSeparate 允许 RGB 与 alpha 通道用不同因子（alpha 通道自身的正确累积需要单独配置，避免 alpha 被重复加权）。

注：还有一种常见约定是预乘 alpha（premultiplied alpha）：纹理存储时颜色已经乘过 alpha，混合用 glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA)。它对颜色插值更友好（透明区域的颜色不再泄漏到边缘），合成图像与粒子系统常用。

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2. 绘制顺序：两条规则

over 操作符不满足交换律。红蓝两片 $\alpha = 0.5$ 的玻璃，先后不同、结果不同：

$$\text{先红后蓝：} \quad C = 0.5 B + 0.25 R + 0.25 bg$$

$$\text{先蓝后红：} \quad C = 0.5 R + 0.25 B + 0.25 bg$$

顺序错了，画面就错了。由此得到半透明渲染的两条基本规则。

2.1 规则一：先画不透明，再画半透明

一帧的绘制顺序：

1. 所有不透明物体：深度测试 + 深度写入照常，绘制顺序任意（近到远更优，见 剔除总结）；
2. 半透明物体：按规则二排序绘制。

为什么必须这个顺序：半透明的 over 需要"背景"已经就位。如果不透明物体还没画，半透明片元混合到的是垃圾颜色；更糟的是不透明物体后画会用深度测试盖掉半透明——玻璃画好了，玻璃后面的墙再画时深度更近（或深度写入冲突），玻璃就被切掉了。

2.2 规则二：半透明从远到近

半透明之间按视距从远到近（back-to-front）绘制：先画远处的，近处的叠在上面。这与画家算法（见 深度缓冲）一个道理——over 的正确合成顺序就是从后往前叠。

2.3 深度写入：关闭

半透明绘制时保留深度测试、关闭深度写入：

glDepthMask(GL_FALSE);    // 只测试，不写入深度
// ... 绘制半透明物体
glDepthMask(GL_TRUE);     // 恢复，供下一帧使用

关闭深度写入的原因：

• 深度测试仍必要：半透明物体要被不透明物体正确遮挡——墙后的玻璃不该透过墙被看见，这靠深度测试完成；
• 深度写入必须关：如果玻璃写了深度，比它远的其他半透明（穿过玻璃的烟、玻璃后面的玻璃）深度测试失败，直接消失。半透明本来就不该"遮挡"更远的东西，它只按 alpha 的比例部分遮挡——这个信息记不进只有一个值的深度缓冲，只能靠绘制顺序保证。

深度缓冲是"二元遮挡"的结构：每个像素只记一个最近深度，只回答"挡或不挡"。半透明是"按比例遮挡"，与这个结构天然不兼容，这也是半透明一切麻烦的根源。

注：这条规则有例外。多层水面、大面积薄玻璃等"近处的不透明感较强"的场景，有时故意保留深度写入，接受远处的半透明消失，换取性能与深度排序稳定性——一种实用的权宜。

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3. 排序怎么做与排不动的时候

规则二要求排序，实践中按粒度分几档：

粒度	做法	适用
逐物体	CPU 按视距排序整个物体	玻璃、水这类数量少的独立物体
逐粒子 / 逐实例	粒子系统内部排序	烟雾、火焰
逐三角形	网格内三角形排序	几乎不做，太贵

逐物体排序是 $O(n \log n)$ 的 CPU 排序，半透明物体通常不多，开销可以接受。排不动的情况：

• 大物体重叠：两扇大玻璃交错，物体 A 整体在 B 前、局部在 B 后，任何整体顺序都是错的；
• 凹形自遮挡：一只玻璃杯，自身前壁与后壁交错，逐物体排序（甚至逐三角形排序）都无法完全正确；
• 动态交错：粒子与网格穿插。

工程上对这类误差普遍容忍：视觉上不显眼的错误顺序，比付出精确排序的代价划算。真正追求精确时，用后面的 OIT。

3.1 与顺序无关的加法混合

加法混合（additive blending）天生不需要排序：

$$C_{result} = \alpha_s \cdot C_{src} + C_{dst}$$

glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE);    // 加法混合

加法满足交换律，谁先谁后结果一样。火焰、光晕、魔法特效这类"只增亮、不遮挡"的发光体都用它，这也是粒子系统大量使用加法混合的原因。

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4. Alpha Test：不需要排序的"透明"

树叶、铁丝网、栅栏这类镂空纹理（cutout）的像素要么完全透明、要么完全不透明，没有中间态。它们不需要混合，用 alpha test（透明度测试）直接丢弃透明像素：

// 片元着色器
vec4 texColor = texture(diffuse, TexCoords);
if (texColor.a < 0.5)
    discard;                    // 丢弃片元，什么都不写
FragColor = vec4(texColor.rgb, 1.0);

discard 掉的片元不写颜色也不写深度，剩下的片元 alpha 恒为 1，深度写入照常——所以镂空物体当作不透明物体处理：参与深度测试与深度写入、与其他镂空物体不需要排序、也吃得到 剔除总结 里 front-to-back 排序的收益。

代价有两个：

1. discard 会禁用 Early-Z（见 剔除总结），大面积镂空材质造成明显的 overdraw；
2. 边缘是硬的二值切换，alpha 从 0.4 跳到 0.6 就是"有/无"的突变，锯齿明显。

第二个问题有一个结合 MSAA 的缓解：alpha to coverage——把片元的 alpha 映射为多重采样的覆盖掩码（coverage mask），alpha = 0.5 时 MSAA 的子采样点一半写入一半不写入，resolve 后（见 抗锯齿算法）得到平滑边缘：

glEnable(GL_SAMPLE_ALPHA_TO_COVERAGE);    // 需要开启 MSAA

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5. 顺序无关透明（OIT）

排序的种种烦恼催生了 OIT（Order-Independent Transparency，顺序无关透明）：不排序、一遍或多遍绘制，管线自己保证正确的合成顺序。三种代表方案。

5.1 Depth Peeling：深度剥离

深度剥离（depth peeling）逐层"剥"出半透明：每一遍渲染找出当前最前面的一层半透明表面。

• Pass 1：正常渲染半透明物体，只保留每个像素深度最小的片元——这是第 1 层（最前面的玻璃）；
• Pass 2：再渲染一遍，只保留"深度比第 1 层更远"中最小的片元——第 2 层（第 1 层背后的第一片玻璃）；
• 依此类推 $N$ 遍，每遍用上一遍的深度纹理作为"最小深度屏障"（着色器里比较片元深度与上一层的深度，只接受更远的最近者），剥出 $N$ 层，最后按从后到前合成。

层与层的约束靠"上一遍的深度纹理 + 片元着色器 discard"实现，原理与 ShadowMap与PCF、PCSS 的深度比较一脉相承。dual depth peeling 每遍同时剥最前与最后两层，遍数减半。

优点	缺点
结果精确	几何 pass 数 = 层数，$N$ 遍全场景
实现相对直观	带宽与 draw call 成倍
层数可控	层数固定，超过 $N$ 层的透明被丢弃

5.2 Per-Pixel Linked List：逐像素链表

不再一遍遍剥，而是一遍把所有半透明片元收集起来，逐像素排序合成：

• 几何 pass：半透明物体只画一遍。每个片元（颜色 + 深度 + next 指针）作为一个节点，用 image 原子操作（见 ComputeShader）追加到该像素的链表里，节点存放在一块预分配的大缓冲中；
• 合成 pass：全屏四边形逐像素遍历链表，按深度排序（片元数量少，插入排序即可），从后到前 over 合成。

优点	缺点
一遍几何	每像素片元数不定，缓冲要预分配上限
结果精确、层数不限	原子操作竞争、带宽压力
-	显存开销与最坏情况绑定

5.3 Weighted Blended OIT：加权混合

前两种都太贵，加权混合 OIT（weighted blended OIT）选择不追求精确顺序：每个半透明片元按深度加权（越近权重越大）累加进两张缓冲，最后一次性合成：

$$C_{final} = \underbrace{\frac{\sum_i w(z_i, \alpha_i)\, \alpha_i C_i}{\sum_i w(z_i, \alpha_i)\, \alpha_i}}_{\text{加权平均色}} \cdot \underbrace{\left(1 - \prod_i (1 - \alpha_i)\right)}_{\text{总不透明度}}$$

其中 $w(z_i, \alpha_i)$ 是深度加权函数（如 $w = \alpha \cdot \max(\epsilon, 3 \times 10^3 \cdot (1-z)^3)$，近处权重大）。两张缓冲分别累加"加权的 $\alpha C$"与"加权因子"，加法满足交换律，与顺序无关。

优点	缺点
一遍 pass、两张缓冲，快	顺序是近似，颜色间遮挡关系不准确
显存恒定、无链表无原子	权重函数需要按场景调
-	不适合需要精确折射/反射的玻璃

烟雾、体积感粒子这类"层与层差异平滑"的效果用加权混合几乎看不出问题。

5.4 实践的选择

注：现代游戏的主流仍然是排序 + 混合：半透明物体规模可控时它最便宜，视觉误差通常可接受。OIT 用在排序明显穿帮的场景——大量重叠的半透明（浓烟、头发、密集植被）。加权混合 OIT 因为实现简单、性能稳定，是三者中最常被引擎采用的。

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6. 延迟渲染中的半透明

延迟渲染把几何属性烘焙进 G-Buffer、着色推迟到屏幕空间（见 前向渲染与延迟渲染）。G-Buffer 每个像素只存一层表面，而半透明恰恰是多层的，两者天然冲突。标准做法是混合管线：

1. 不透明物体走延迟路径（G-Buffer + 光照 pass）；
2. 半透明物体在光照结果上走前向路径：排序 + 混合，逐光源着色后 over 到已经算好光照的画面上。

所以一套完整的引擎渲染一帧的顺序通常是：

1. 深度 prepass / shadow map（见 [[剔除总结]]）
2. 不透明物体（延迟：G-Buffer；或前向）
3. 天空盒（深度最远，最先画会浪费填充率，放在不透明之后用已填充的深度剔除）
4. 半透明物体（远到近，关深度写）
   - 普通半透明：排序 + over 混合
   - 镂空：提前到不透明阶段用 alpha test
   - 发光体：加法混合（免排序）
   - 排序穿帮严重时：加权混合 OIT
5. 后处理（Bloom、色调映射等，见 [[帧缓冲]]）

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7. 总结

需求	方案	排序	深度写入
玻璃、水	over 混合	物体级远到近	关
树叶、栅栏镂空	alpha test（+ alpha to coverage）	不需要（按不透明处理）	开
火焰、光晕	加法混合	不需要（交换律）	关
大量重叠粒子、烟雾	加权混合 OIT	不需要	关
精确多层玻璃	depth peeling / 逐像素链表	管线内完成	关

半透明的一切麻烦都源于一个矛盾：深度缓冲只表达二元遮挡，而透明是按比例遮挡。各种技术都是在"排序的代价"与"合成的精度"之间寻找平衡点。

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