Unity 通过 AlphaClipDepth 与 ZTest Equal 优化 Alpha Clip

Alpha Clip 常用于植被、头发卡片、铁丝网等镂空材质。它的优点是能够写入深度、参与阴影，并且不需要像透明物体一样排序；缺点是重叠层数较多时，片元阶段的开销可能很高。

一种针对 Forward 渲染的优化方法是把“决定像素是否存在”和“计算最终颜色”拆成两个 Pass：

1. AlphaClipDepth Pass 只采样 Alpha、执行 clip() 并写入深度。
2. 正式光照 Pass 不再执行 clip()，改为 ZTest Equal、ZWrite Off。

这样，镂空区域和预写集合中被更近表面遮挡的层可以在正式光照 Pass 的深度测试阶段被拒绝，昂贵的光照、阴影、法线和 PBR 计算只需要处理预写后留下的最前层像素。

为什么普通 Alpha Clip 仍然可能很贵

Alpha Clip 通常在片元着色器中采样一张 Alpha 纹理，然后调用 clip()：

half alpha = SAMPLE_TEXTURE2D(
    _BaseMap,
    sampler_BaseMap,
    input.uv).a * _BaseColor.a;

clip(alpha - _Cutoff);

把 clip() 放在复杂光照之前，可以避免镂空区域继续执行后续计算，但它仍然有几个问题：

• Alpha 采样和 clip() 本身仍然发生在片元阶段。
• clip/discard 可能限制部分 GPU 的 Early-Z 优化。
• 多层 Cutout 表面重叠时，通过 Alpha Clip 的每一层仍可能执行完整的主光照。

因此，这个方案的重点并不是消除 Alpha Clip，而是把它集中到一个尽可能便宜的深度 Pass 中，让正式光照 Pass 不再包含 discard，从而有机会恢复更有效的 Early-Z。

渲染流程

为了估算收益，可以把同一个像素上的工作拆开：

• M：被光栅化的 Cutout 重叠层数。
• N：普通路径中通过 Alpha，并实际进入完整主着色的层数，N <= M。
• C_clip：Alpha 采样和裁剪成本。
• C_main：裁剪之后的复杂主光照成本。
• C_depth：AlphaClipDepth 的成本，通常接近 C_clip。

普通方案可以近似看成：

M × C_clip + N × C_main

在预写集合中只有一个最前层通过主 Pass 的理想情况下，增加 AlphaClipDepth 后可以近似看成：

M × C_depth + 1 × C_main + 额外的 Draw Call 与顶点开销

这只是帮助判断方向的简化模型。实际的 Early-Z 行为、绘制顺序和硬件架构都会改变结果。只有当被省掉的重复主光照成本，大于新增的深度 Pass、顶点处理和提交成本时，这个方案才会获得收益。

完整顺序如下：

阶段	深度状态	片元工作
AlphaClipDepth	ZTest LEqual、ZWrite On	Alpha 采样与 clip()
正式光照 Pass	ZTest Equal、ZWrite Off	只计算最终颜色，不再 clip()

实现 AlphaClipDepth Pass

深度 Pass 的关键状态是：

ZTest LEqual
ZWrite On
ColorMask 0

ColorMask 0 只是不写颜色，它并不会跳过片元着色器。因为还需要采样 Alpha 并执行 clip()，所以这个 Pass 仍然需要一个片元函数，只是要让它尽可能简单。

下面是一个最小结构：

Pass
{
    Name "AlphaClipDepth"
    Tags { "LightMode" = "AlphaClipDepth" }

    ZTest LEqual
    ZWrite On
    ColorMask 0
    Cull [_Cull]

    HLSLPROGRAM
    #pragma vertex AlphaClipDepthVertex
    #pragma fragment AlphaClipDepthFragment
    #pragma multi_compile_instancing

    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

    TEXTURE2D(_BaseMap);
    SAMPLER(sampler_BaseMap);

    CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
        float4 _BaseMap_ST;
        half4 _BaseColor;
        half _Cutoff;
    CBUFFER_END

    struct Attributes
    {
        float3 positionOS : POSITION;
        float2 uv         : TEXCOORD0;
        UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
    };

    struct Varyings
    {
        float4 positionCS : SV_POSITION;
        float2 uv         : TEXCOORD0;
        UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
        UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
    };

    Varyings AlphaClipDepthVertex(Attributes input)
    {
        Varyings output = (Varyings)0;

        UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
        UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);
        UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(output);

        output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS);
        output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BaseMap);
        return output;
    }

    half4 AlphaClipDepthFragment(Varyings input) : SV_Target
    {
        UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
        UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input);

        half alpha = SAMPLE_TEXTURE2D(
            _BaseMap,
            sampler_BaseMap,
            input.uv).a * _BaseColor.a;

        clip(alpha - _Cutoff);
        return 0;
    }
    ENDHLSL
}

实际 Shader 如果包含蒙皮、风动、Billboard、顶点动画、GPU Instancing 或 LOD Dither，不能直接照搬这个最小顶点函数。深度 Pass 必须复用主 Pass 的顶点变形路径。

示例为了便于阅读直接声明了精简版 UnityPerMaterial。生产 Shader 应复用已有的材质输入 include，并保证所有 Pass 中 UnityPerMaterial 的字段与顺序完全一致，否则会破坏 SRP Batcher 兼容性。

修改正式光照 Pass

正式光照 Pass 只允许绘制与深度缓冲完全相等的片元：

Pass
{
    Name "ForwardLit"
    Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }

    ZTest Equal
    ZWrite Off
    Cull [_Cull]

    // 正常的顶点与片元着色代码
    // Fragment 中不再调用 clip() 或 discard
}

这里有三个状态需要成套使用：

• ZTest Equal：只绘制 AlphaClipDepth 已经写入的表面。
• ZWrite Off：主 Pass 不再重复修改深度。
• 移除主 Pass 中的 clip/discard：避免它继续影响 Early-Z，并省掉重复的 Alpha Clip。

不能只把主 Pass 改成 ZTest Equal。如果深度预写没有执行，深度缓冲中就没有相等的值，整个物体会直接消失。

如果同一个 Shader 同时支持 Opaque、Alpha Clip 和 Transparent，可以把深度状态做成材质属性：

[HideInInspector] _ZTest("ZTest", Float) = 4
[HideInInspector] _ZWrite("ZWrite", Float) = 1

// 正式 Pass
ZTest [_ZTest]
ZWrite [_ZWrite]

下面只列出这项预写优化新增的状态。切换到 Alpha Clip 模式时，同时更新 Pass 和深度状态：

using UnityEngine.Rendering;

material.SetShaderPassEnabled("AlphaClipDepth", true);
material.SetFloat("_ZTest", (int)CompareFunction.Equal);
material.SetFloat("_ZWrite", 0);

切回普通 Opaque 模式时则恢复：

material.SetShaderPassEnabled("AlphaClipDepth", false);
material.SetFloat("_ZTest", (int)CompareFunction.LessEqual);
material.SetFloat("_ZWrite", 1);

完整的 Surface Mode 切换还要同步 Alpha 关键字、RenderType、Render Queue，以及 ShadowCaster、DepthOnly 等 Pass 的裁剪状态。

Transparent 模式不适用这套 Cutout 优化，应继续使用自己的混合、排序和深度状态。

在 URP 中提前绘制

最简单的调度方式是在 Universal Renderer Data 中添加一个 Render Objects Renderer Feature：

配置	值
Event	BeforeRenderingOpaques
Queue	Opaque
Layer Mask	只包含需要优化的 Alpha Clip 对象
Pass Names	AlphaClipDepth
Override Material / Shader	关闭

AlphaTest 队列仍属于 Opaque 的筛选范围。不要使用统一的 Override Material，因为不同材质通常有各自的 Alpha 纹理、UV、颜色和 Cutoff。

深度状态可以直接由 Shader Pass 控制；如果在 Renderer Feature 中覆盖深度状态，也必须保持 LEqual + Write Depth。Feature 必须加入所有实际使用的 Renderer Data，否则某些质量档或相机在缺少预写时会让 ZTest Equal 的物体消失。

如果 Renderer Feature 只筛选 Alpha Clip 对象，它解决的是这些对象彼此之间的重叠。此时尚未写入深度的普通 Opaque 物体不能提前剔除 Alpha Clip 主 Pass；若需要这部分遮挡收益，必须复用已有的完整深度预写，或让相关遮挡物也先写入同一深度附件。

以上注入点适用于 Forward 路径。Deferred 路径需要在 GBuffer 之前完成预写，并让 GBuffer Pass 使用 ZTest Equal，不能直接套用同一个执行时机。

两个 Pass 必须完全一致

ZTest Equal 是严格比较。AlphaClipDepth 与正式 Pass 产生的深度只要有差异，就可能出现缺面、闪烁或边缘破损。

必须保持一致的内容包括：

• 顶点位置计算和浮点精度
• 蒙皮、风动、Billboard 与顶点动画
• GPU Instancing 和每实例数据
• Cull 模式与 Depth Offset
• LOD Cross Fade、Dither Fade
• 相机投影、抖动、XR 与动态分辨率路径

最稳妥的做法是让两个 Pass 复用同一个顶点变形函数或 HLSL include。

Alpha 纹理、UV、颜色 Alpha 和 Cutoff 决定预写的覆盖范围。主 Pass 虽然不再裁剪，但 ShadowCaster、DepthOnly、DepthNormals、MotionVectors 等独立 Pass 仍要保留与画面一致的 Alpha Clip；相机深度预写不能替代这些用途。

本文示例面向二值硬裁剪。如果材质依赖 MSAA 下的 AlphaToMask 或 AlphaToCoverage，深度 Pass 必须复现相同的逐样本覆盖；做不到时不要直接改成这套流程，否则边缘质量和深度覆盖会不一致。

与 URP Depth Priming 的关系

这套方案可以理解为“只对选定的 Alpha Clip 对象做深度预写”。URP 自带的 Depth Priming 也会先生成深度，再减少被遮挡像素的主着色。

如果已经启用了 Depth Priming，并且现有 DepthOnly Pass 能正确处理 Alpha Clip，应先用 Frame Debugger 检查已有的深度预写和主绘制状态。不要无条件再增加一遍 AlphaClipDepth，否则可能只是重复绘制。

需要注意，已有深度预写不一定等价于本文的完整方案：主 Pass 仍可能保留 Alpha 采样和 clip/discard。是否已经获得相同收益，还要检查主 Shader 变体并以 GPU 数据为准。

定向的 AlphaClipDepth 适合只想处理高 OverDraw Cutout 物体，而不希望为所有 Opaque 物体增加深度预写的情况。

适用场景与代价

比较容易获得收益的场景：

• 植被、头发卡片、栅栏等重叠层数较高的 Cutout
• 物体屏幕覆盖率较大
• 主 Shader 包含多光源、阴影、法线或复杂 PBR
• 性能瓶颈明确在 Fragment 或 Fill Rate

可能没有收益，甚至更慢的场景：

• Alpha Clip 物体很少、很小或几乎没有重叠
• 主 Shader 很简单
• 场景受 CPU、Draw Call 或顶点处理限制
• Alpha 大部分为空，并且原 Shader 已经在片元开头快速裁剪
• Tile-Based GPU 因额外 Pass 产生了更高的 Tile Store/Load 成本

额外成本包括：

• 每个对象多一次 Draw Call
• 顶点处理和三角形装配多一次
• Alpha 纹理多采样一次
• 额外的渲染状态切换与深度带宽

因此不要把它当成所有 Alpha Clip 材质的默认配置。更合理的做法是使用 Layer Mask 或单独的材质开关，只覆盖已经确认存在高 OverDraw 的对象。

验证方法

先用 Frame Debugger 或 RenderDoc 检查正确性：

1. AlphaClipDepth 确实在正式 Opaque 绘制之前执行。
2. 深度 Pass 使用 LEqual + ZWrite On + ColorMask 0。
3. 正式 Pass 使用 Equal + ZWrite Off。
4. 正式片元着色器已经没有 clip/discard。
5. Alpha 边缘、风动、蒙皮、LOD、阴影、SSAO、TAA、MSAA 与相机堆叠没有视觉回归。

然后在目标设备上做 A/B 测试，重点比较：

• GPU Frame Time
• 两个 Pass 各自的 GPU 耗时
• Fragment Shader Invocations
• Early-Z Rejected / Depth Test Passed
• Draw Calls、Vertex Invocations
• Tile Load/Store 与显存带宽
• CPU Render Thread 时间

移动端尤其需要真机测量。Tile-Based GPU 既可能受益于减少主片元着色，也可能因为新增 Pass 和带宽而付出更高代价，不能只根据编辑器中的 FPS 下结论。

常见问题

物体完全消失

主 Pass 已经是 ZTest Equal，但 AlphaClipDepth 没有执行。检查 Renderer Feature、Layer Mask、Render Queue、Pass Names、材质 Pass 开关以及当前相机使用的 Renderer。

边缘闪烁或局部缺面

两个 Pass 的顶点位置、Cull、Depth Offset 或动画路径不一致。优先让它们复用同一套顶点代码。

材质预览或离屏相机不显示

某些预览、反射或离屏相机可能不会执行自定义 Renderer Feature。所有负责正式颜色绘制的相机都必须先完成深度预写，否则需要提供使用 LEqual 和原始 Alpha Clip 的回退路径。

开启后反而变慢

说明省掉的主片元成本不足以覆盖第二次绘制。缩小 Layer Mask 的范围，只保留高 OverDraw、重片元的材质，或者直接关闭这项优化。

总结

这套方案的本质是：

廉价 AlphaClipDepth：决定覆盖范围并写深度
                    ↓
昂贵主光照 Pass：ZTest Equal，只着色预写集合中的最前层

它最适合高 OverDraw、重片元的二值 Cutout 材质。实现时最重要的不是单独设置 ZTest Equal，而是保证预写一定先执行、主 Pass 不再 discard，并让两个 Pass 生成完全一致的深度。最后仍然要以目标设备上的 GPU 数据决定是否启用。

参考资料

• Unity：在 URP Shader 中编写 Depth-only Pass
• Unity：Render Objects Renderer Feature
• Unity：ShaderLab ZTest 命令