1. 引言
在实时渲染中，遮挡剔除（Occlusion Culling）是提升性能的关键手段之一。它的核心思想很简单：不绘制那些被其他物体挡住、最终不会出现在屏幕上的物体。而 HZB（Hierarchical Z-Buffer，层次 Z 缓冲）正是实现高效遮挡剔除的一种经典且强大的数据结构。本文将从零开始，用通俗的语言带你理解 HZB 的原理、构建方式以及它在实际渲染管线中的应用。
2. 为什么需要遮挡剔除
想象一个大型游戏场景：你站在一栋大楼前，身后是整座城市。如果 GPU 老老实实地把城市里每一栋楼、每一条街道的三角形都画一遍，那么大量被大楼挡住的物体其实根本不会出现在屏幕上，白白浪费了宝贵的渲染时间。
遮挡剔除要解决的就是这个问题：在绘制之前，先判断某个物体是否可见，如果不可见就直接跳过。常见的剔除手段包括：
- 视锥剔除（Frustum Culling）：剔除不在摄像机视野范围内的物体。
- 背面剔除（Backface Culling）：剔除背对摄像机的三角形。
- 遮挡剔除（Occlusion Culling）：剔除被其他物体完全遮挡的物体。
前两种相对简单，而遮挡剔除因为要判断“谁挡住了谁”，需要更巧妙的数据结构，HZB 就是其中的代表。
3. 从 Z-Buffer 到 HZB
要理解 HZB，先得回顾它的基础——Z-Buffer（深度缓冲）。
在渲染过程中，GPU 会为屏幕上的每个像素记录一个深度值，表示该像素距离摄像机有多远。当两个物体投射到同一个像素时，深度值小的（更靠近摄像机）会覆盖深度值大的。这个深度缓冲就是 Z-Buffer。
Z-Buffer 本身是逐像素的，分辨率很高。但如果我们想快速判断“一个很大的物体是否被遮挡”，逐像素检查显然太慢了。于是就有了 HZB 的思路：把 Z-Buffer 逐级缩小，每一级都记录上一级中更大（远）的深度值（即更远离摄像机的值），形成一棵“深度金字塔”。
这样，当我们想判断一个物体是否被遮挡时，不需要看每一个像素，只需要在合适的层级上做少量采样即可。
4. HZB 的构建过程
HZB 通常不是直接证明“物体可见”，而是尝试证明“物体肯定被完全挡住”。只要无法确定，就保守地让物体继续绘制。
HZB 的构建本质上是一个降采样（Downsampling）的过程。假设原始 Z-Buffer 的分辨率是 1024×1024，那么构建过程如下：
- 第一级（Level 0）就是原始的 Z-Buffer。
- 第二级（Level 1）分辨率降为 512×512，每个像素取 Level 0 中对应 2×2 区域里的最大（远）深度值。
- 第三级（Level 2）分辨率降为 256×256，每个像素取 Level 1 中对应 2×2 区域里的最大（远）深度值。
- 以此类推，直到分辨率降到 1×1 为止。
为什么要取最大值而不是最小值？因为最大值代表“这个区域里离摄像机最远的深度”。如果一个物体的深度比这个最远值还大，说明它完全在这个区域之后，必然被遮挡。
在实际工程中，在普通 Z 和 Reversed-Z 中，深度数值的远近方向相反，所以实现里到底取min还是max不能死记。原则始终是一样的：不能漏掉任何可能可见的部分，降采样时取最远的深度值。
5. 用 HZB 做遮挡剔除
有了 HZB 之后，遮挡剔除的流程大致如下：
- 把待检测物体的包围盒（Bounding Box）投影到屏幕上，得到一个屏幕空间矩形。
- 根据这个矩形的大小，在 HZB 中选择一个合适的层级。原则是：矩形越大，选择的层级越高（分辨率越低），这样只需要采样少数几个像素。
- 在选定的层级上，采样矩形覆盖范围内的深度值，取其中的最小（近）值。
- 把物体的实际深度（通常是包围盒离摄像机最近的那个点的深度）与采样到的深度值比较：如果物体的深度更大，说明它完全被遮挡，可以剔除；否则保留。
这里的关键是“选择合适的层级”。如果层级选得太高（分辨率太低），采样结果过于粗糙，可能会误判（把本来可见的物体剔除掉）；如果层级选得太低（分辨率太高），采样次数太多，性能收益不明显。工程上通常根据投影矩形的面积来动态选择层级。
6. 一个简单的伪代码示例
下面用伪代码描述 HZB 遮挡剔除的核心逻辑，帮助你理解整体流程：
// 判断物体是否被遮挡 bool IsOccluded(HZB hzb, BoundingBox bounds, Camera camera) { // 1. 把包围盒投影到屏幕空间 ScreenRect rect = ProjectToScreen(bounds, camera); // 2. 根据投影面积选择合适的 HZB 层级 int level = SelectLevel(rect.Area()); // 3. 在选定层级上采样深度，取最大（远）值 float maxDepth = hzb.SampleMaxDepth(rect, level); // 4. 计算物体离摄像机最近的深度 float objectDepth = bounds.NearPlaneDepth(camera); // 5. 如果物体深度更大，说明被完全遮挡 return objectDepth > maxDepth ; }7. HZB 的优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 剔除效率高，适合大量静态和动态物体 | 构建 HZB 本身需要额外的 GPU 开销 |
| 层级结构天然支持“由粗到细”的快速判断 | 对细长或形状不规则的物体，包围盒投影可能不够精确 |
| 实现相对成熟，主流引擎均有支持 | 需要维护深度缓冲，且更新时机需要精心设计 |
在实际项目中，HZB 通常不会单独使用，而是与视锥剔除、软件光栅化剔除等手段配合，形成一套完整的剔除方案。
8. 总结
HZB 是一种基于深度金字塔的遮挡剔除技术，核心思想是把逐像素的深度信息逐级降采样，从而用很小的代价快速判断物体是否被遮挡。它的构建过程简单、剔除效率高，是实时渲染中不可或缺的工具之一。
9.Tips
1、HZB 并不能完全判断所有遮挡情况，例如下图，下边一个简化的二维空间例子，A点比B点离摄像机更近，所以经过遮挡剔除算法并不能判断方块被遮挡，方块不会在遮挡剔除这个阶段被剔除。方块还是会被渲染，但是方块的像素颜色否显示在最终的画面上，还是看方块的每个像素的深度是否在相机的最近距离了
