Depth only pass

unlit shader中包含了一个Depth Only Pass，这个pass的代码在Packages\com.unity.render-pipelines.universal\Shaders\DepthOnlyPass.hlsl中。这是一个公共pass，几乎所有的URP shader都会包含这个pass。本篇说一说这个pass的作用以及实现细节。

作用

Depth only pass的作用是生成一张场景的深度图，一般是在渲染不透明物体之前，对所有包含该pass的材质对应的物体执行这个pass，当所有物体执行完毕后，就得到了深度图。这个pass执行的前提是URP判断需要深度图，比如URP assets中配置了：

或者camera开启了后处理。使用深度图，游戏可以从屏幕空间深度重建出世界空间深度，从而完成很多有意思的效果，比如水面渲染的岸边泡沫，粒子面片进入地面时柔和的过渡。另外很多屏幕空间的后处理效果都会用到深度图。

但是如果只是为了得到深度图，其实也不必执行depth only pass，只要在不透明物体渲染之后，从当前的depth buffer copy出深度就可以。所以这个pass也不是必然执行的。主要看copy depth的条件是否满足，如果满足则执行copy depth，而不是depth only pass。具体的逻辑，可以参考ForwardRenderer.cs代码，注意是URP的c#代码，不是shader：

            // Depth prepass is generated in the following cases:
            // - If game or offscreen camera requires it we check if we can copy the depth from the rendering opaques pass and use that instead.
            // - Scene or preview cameras always require a depth texture. We do a depth pre-pass to simplify it and it shouldn't matter much for editor.
            // - Render passes require it
            bool requiresDepthPrepass = requiresDepthTexture && !CanCopyDepth(ref renderingData.cameraData);
            requiresDepthPrepass |= isSceneViewCamera;
            requiresDepthPrepass |= isPreviewCamera;
            requiresDepthPrepass |= renderPassInputs.requiresDepthPrepass;
            requiresDepthPrepass |= renderPassInputs.requiresNormalsTexture;

重点是CanCopyDepth方法：

        bool CanCopyDepth(ref CameraData cameraData)
        {
            bool msaaEnabledForCamera = cameraData.cameraTargetDescriptor.msaaSamples > 1;
            bool supportsTextureCopy = SystemInfo.copyTextureSupport != CopyTextureSupport.None;
            bool supportsDepthTarget = RenderingUtils.SupportsRenderTextureFormat(RenderTextureFormat.Depth);
            bool supportsDepthCopy = !msaaEnabledForCamera && (supportsDepthTarget || supportsTextureCopy);

            // TODO:  We don't have support to highp Texture2DMS currently and this breaks depth precision.
            // currently disabling it until shader changes kick in.
            //bool msaaDepthResolve = msaaEnabledForCamera && SystemInfo.supportsMultisampledTextures != 0;
            bool msaaDepthResolve = false;
            return supportsDepthCopy || msaaDepthResolve;
        }

从该函数可以看到，如果Camera开启了MSAA，则就不能使用Copy Depth了，为啥呢？注释有说，URP暂时不能在不损失精度的前提下从MSAA RT resolve出depth。在PC上，这几乎是唯一的限制，如果把MSAA关闭，在FrameDebugger中就会发现Depth Only Pass消失了，而在DrawOpaqueObjects之后多了一个CopyDepth的pass。

Z-Pre Pass和Early-Z测试

一般来说，这种在渲染场景之前，先把场景的深度渲染出来的过程叫做Z-Pre Pass（或者Depth Pre Pass等），其用途除了生成深度图之外，最重要的作用是给硬件Early-Z的执行提供一个优化好的Depth Buffer。Early-Z在Fragment Shader之前执行，如果片段不能通过Early-Z测试，则不会执行Fragment Shader，这可以大大降低Overdraw。但Early-Z可以起作用的条件在于我们绘制的顺序是从近到远（对于不透明物体），而正常渲染时并不能保证这个顺序。通过Z-Pre Pass，渲染一遍场景之后,depth buffer中保存的是离camera最近的这些片段的z值，之后再正常渲染场景，此时进行Early-Z测试就会发现只有和depth buffer中z值相等的片段才需要绘制，即只要进行一个Equal测试就可以排除掉所有潜在的overdraw片段，让Early-Z的作用发挥到最大。另外Early-Z本身也是有条件的，对于一个draw call，如果FS中执行了clip操作，或者修改了深度值，那么就不能进行Early-Z测试，GPU就会使用正常的Late-Z测试。如果我们要绘制大量使用Alpha Test材质的物体，比如一大片草地，这些草本身overdraw就很严重，还不能启用Early-Z，对性能影响很大。但如果使用Z-Pre Pass，就可以在此时对于草的draw call使用alpha test来更新depth buffer，这样那些透明片段就会被丢弃掉，留下的片段的深度值会被写入到depth buffer上（当前前提上通过深度测试），经过Z-Pre Pass之后，再普通pass中绘制草时就可以不使用Alpha Test了，这样Early-Z可以使用了，仍然是简单的进行深度的Equal测试就可以将所有应该被画出来的片段画出来。

看到这儿，相信你心中已经有了想法，既然很多效果需要深度图，而做一个Z-Pre Pass又可以优化Ealry-Z，一举两得嘛，还需要CopyDepth干嘛。想法是很好，可惜的是Unity的Depth only pass并不能作为一个优化Early-Z的Z-Pre Pass，因为Depth only pass的输出是一个depth Render texture，而不是depth buffer，这样后面普通的pass绘制时，执行深度测试没法用这个RT去比较。深度测试使用的当前Render Target的depth attachment，且必须是同一个Render Target。后面的普通Pass的Render Target是_cameraColorTexture，它有自己的depth attachment。总之，可惜了，白白执行了那么多draw call，只得到了深度图，而不能优化Early-Z。

这个事情的原因可参考Unity论坛的官方解释：https://forum.unity.com/threads/need-clarification-on-urps-use-of-the-depth-prepass.1004577/
总之，未来是可以解决的，暂时还不行。

Shader代码分析

由于只是输出depth texture，其VS代码也很简单，就是计算clip space坐标即可。但是URP的这个代码稍微复杂一些：

Varyings DepthOnlyVertex(Attributes input)
{
    Varyings output = (Varyings)0;
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(output);

    output.uv = TRANSFORM_TEX(input.texcoord, _BaseMap);
    output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.position.xyz);
    return output;
}

half4 DepthOnlyFragment(Varyings input) : SV_TARGET
{
    UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input);

    Alpha(SampleAlbedoAlpha(input.uv, TEXTURE2D_ARGS(_BaseMap, sampler_BaseMap)).a, _BaseColor, _Cutoff);
    return 0;
}

VS中会计算uv坐标，为啥呢？在FS中可以看到，会采样贴图中的alpha。这儿有两个函数：

half Alpha(half albedoAlpha, half4 color, half cutoff)
{
#if !defined(_SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A) && !defined(_GLOSSINESS_FROM_BASE_ALPHA)
    half alpha = albedoAlpha * color.a;
#else
    half alpha = color.a;
#endif

#if defined(_ALPHATEST_ON)
    clip(alpha - cutoff);
#endif

    return alpha;
}

half4 SampleAlbedoAlpha(float2 uv, TEXTURE2D_PARAM(albedoAlphaMap, sampler_albedoAlphaMap))
{
    return SAMPLE_TEXTURE2D(albedoAlphaMap, sampler_albedoAlphaMap, uv);
}

即，URP的depth only pass会执行Alpha Test，且Alpha值除了来源于颜色本身，也来源于贴图的Alpha，当然需要开启相应的关键字。URP的做法当然是对的，因为对于Alpha Test材质的物体，其深度必然也受Alpha Test影响。其实渲染阴影贴图也一样，对于Alpha Test材质都需要处理。

本篇小结

URP的这个Depth Only Pass Shader本身比较简单，没啥可说，但是这个Depth Only Pass确实要说道说道，必须要了解到当前版本下面这个Depth Only Pass不能起到Z-Pre Pass的作用去优化Early-Z，因此如果可能直接使用Copy Depth可以节省大量的draw call，当然前提是不能使用MSAA，在低端移动设备上是一个可以考虑的优化选项，关闭MSAA，然后使用一个基于后处理的AA代替，即节省了MSAA的开销，又节省了Depth Only Pass的draw call，一石二鸟！