Z Buffer

Z Buffer（Z 快取），Z－buffering是在為物件進行著色時，執行“隱藏面消除”工作的一項技術，所以隱藏物件背後的部分就不會被顯示出來。

基本介紹

• 中文名：Z 快取
• 外文名：Z Buffer
• 作用：執行“隱藏面消除”工作
• 套用：3D 顯示晶片

產品簡介

Z Buffer（Z 快取），Z－buffering是在為物件進行著色時，執行“隱藏面消除”工作的一項技術，所以隱藏物件背後的部分就不會被顯示出來。 在3D環境中每個像素中會利用一組數據資料來定義像素在顯示時的縱深度（即Z軸坐標值）。Z Buffer所用的位數越高，則代表該顯示卡所提供的物件縱深感也越精確。目前的3D加速卡一般都可支持16位的Z Buffer，新推出的一些高級的卡已經可支持到32位的Z Buffer。對一個含有很多物體連線的較複雜3D模型而言，能擁有較多的位數來表現深度感是相當重要的事情。

幾乎所有目前的 3D 顯示晶片都有 Z buffer 或 W buffer。不過，還是常常可以看到有人對 Z buffer 和 W buffer 有一些基本的問題，像是 Z buffer 的用途、Z buffer 和 W buffer 的差別、或是一些精確度上的問題等等。

產品特點

Z buffer 和 W buffer 是做什麼用的呢？它們的主要目的，就是去除隱藏面，也就是 Hidden surface elimination（或是找出可見面，Visible surface detemination，這是同樣意思）。在 3D 繪圖中，只要有兩個以上的三角面，就可能會出現某個三角面會遮住另一個三角面的情形。這是很明顯的現象，因為近的東西總是會遮住遠的（假設這些三角面都是不透明的）。所以，在繪製 3D 場景時，要畫出正確的結果，就一定要處理這個問題。

不過，這個問題是相當困難的，因為它牽扯到三角面之間的關係，而不只是某個三角面本身而已。所以，在做去除隱藏面的動作時，是需要考慮場景中所有的三角面的。這讓問題變得相當的複雜。而且，三角面往往並不是整個被遮住，而常常是只有一部分被遮住。所以，這讓問題變得更複雜。

要做到去除隱藏面的最簡單方法，就是「畫家演算法」（Painter's algorithm）。這個方法的原理非常簡單，也就是先畫遠的東西，再畫近的東西。這樣一來，近的東西自然就會蓋住遠的東西了。因為油畫的畫家通常會用這樣的方法，所以這個方法被稱為「畫家演算法」。下圖是一個例子

上圖中，紅色的圓形最遠，所以最先畫。然後是黃色的三角形，最後是灰色的方形。照遠近的順序來畫，就可以達到去除隱藏面的效果。所以，只要把 3D 場景中的三角面，以對觀察者的距離遠近排序，再從遠的三角面開始畫，應該就可以畫出正確的結果了。

不過，實際上並沒有這么理想。在 3D 場景中，一個三角面可能有些地方遠，有些地方近，因為三角面有三個頂點，而這三個頂點和觀察者的距離，通常都是不同的。所以，要以哪個頂點來排序呢？或是以三角面的中心來排序？事實上，不管以什麼為依據來排序，都可能會有問題。下圖是一個「畫家演算法」無法解決的情形：

上圖中，三個三角面互相遮住對方，所以不管用什麼順序去畫，都無法得到正確的結果。另外，這個方法也無法處理三角面有交叉的情形。

當然，如果相當確定場景中不會出現這么奇怪的情形，那「畫家演算法」一般還是可以用的。不過，它還有一個很大的問題，就是效率不佳。首先，畫家演算法需要對場景中，在視角範圍內所有的三角面做一個排序的動作。最好的排序演算法也需要 O(n log n) 的時間。也就是說，（大致上來說）如果三角面的數目從一千個變一萬個，排序需要的時間會變成約 13.3 倍。而且，因為這需要對場景中所有的三角面來做，因此也不適合用特別的硬體來做加速。另外，這個方法還有一個很大的問題，就是它會花很多時間去畫一些根本就會被遮住的部分，因為每個三角面的每個 pixel 都需要畫出來。這也會讓效率變差。

如果場景是靜態（不動）的，只有觀察者會變動的話，那是有方法可以加快排序的速度。一個很常用的方法是 binary space paritioning（BSP）。這個方法需要事先對場景建立一個樹狀結構。建立這個結構後，不管觀察者的位置、角度是如何，都可以很快找出正確的繪製順序。而且，BSP 會視需要切開三角面，以處理像上圖那樣，三個三角面互相遮住對方的情形。

不過，BSP 結構在建立時，要花很多時間，所以不太可能即時運算。因此，通常只能用在場景中的靜態部分，而會動的部分還是需要另外排序。而且，BSP 常會需要切開三角面，也會讓三角面的數目增加。另外，BSP 仍然無法解決需要畫出那些被遮住的 pixel 的問題。

另一種去除隱藏面的方法，是直接以 pixel 為單位，而不是以三角面為單位，來考慮這個問題。其中最簡單的方法是由 Catmull 在 1974 年時提出來的，也就是 Z buffer（或稱 depth buffer）。這個方法非常簡單，又容易由特別設計的硬體來執行，所以在記憶體容量不再是問題後，就變得非常受歡迎。

Z buffer 的原理非常簡單。在繪製 3D 場景時，除了存放繪製結果的 frame buffer 外，另外再使用一個額外的空間，也就是 Z buffer。Z buffer 記錄 frame buffer 上，每個 pixel 和觀察者的距離，也就是 Z 值。在開始繪製場景前，先把 Z buffer 中所有的值先設定成無限遠。然後，在繪製三角面時，對三角面的每個 pixel 計算該 pixel 的 Z 值，並和 Z buffer 中存放的 Z 值相比較。如果 Z buffer 中的 Z 值較大，就表示目前要畫的 pixel 是比較近的，所以應該要畫上去，並同時更新 Z buffer 中的 Z 值。如果 Z buffer 中的 Z 值較小，那就表示目前要畫的 pixel 是比較遠的，會被目前 frame buffer 中的 pixel 遮住，所以就不需要畫，也不用更新 Z 值。這樣一來，就可以用任意的順序去畫這些三角面，即可得到正確的繪製結果。下圖是一個例子：