模板缓冲区（Stencil Buffer）详解

1. 是什么？

模板缓冲区是 GPU 中一个与深度缓冲区大小相同、像素一一对应的整数缓冲区。每个像素通常占用 8 位（取值范围 0~255），也可以配置为 1、2 或 4 位。

它与深度缓冲区经常共享同一块显存（例如 24 位深度 + 8 位模板 = 32 位），所以常被合称为“深度模板缓冲区”。

核心功能：按照每个像素的“模板值”有条件地拒绝或接受后续绘制。你可以把它想象成一张数字化的模板纸：先在某些像素上盖个章（写入非 0 值），然后在画其他东西时，只允许在盖过特定章的像素上绘制。

2. 工作原理（两个阶段）

模板缓冲区的使用分为两个阶段：

阶段一：写入模板值

  • 绘制某些物体时，不改变颜色和深度，只修改模板缓冲区。

  • 例如：绘制一个圆形区域，把模板值设为 1。

阶段二：测试模板值

  • 绘制其他物体时，设置一个测试条件，例如：

    • Equal（等于）—— 仅当当前模板值 == 参考值才绘制

    • NotEqual（不等于）

    • Less（小于）

    • Greater（大于）

    • Always（总是通过）

    • Never（总是不通过）

  • 测试失败的像素直接被丢弃，不会更新颜色和深度。

关键点：每个像素的模板值可以单独控制，且测试和写入可以同时发生。

3. 常用操作符

在图形 API（如 OpenGL、DirectX、Vulkan）或引擎（如 Unreal）中，你可以为模板测试配置三个操作：

操作 含义
Keep 保持当前模板值不变
Zero 将模板值清零
Replace 用参考值替换当前模板值
Increment 加 1（饱和到最大值）
Decrement 减 1（饱和到最小值）
Invert 按位取反

这些操作可以分别在三种情况下执行：

  • 模板测试失败时

  • 模板测试通过但深度测试失败时

  • 模板测试和深度测试都通过时

4. 经典应用举例

例子 1：镜子 / 平面反射

需求：只在镜面区域内显示反射的图像。

步骤：

  1. 写入模板：绘制镜面形状（例如一个矩形），设置模板操作：通过时替换为 1。此时镜面区域所有像素的模板值 = 1，其他区域 = 0。

  2. 绘制反射内容：开启模板测试，条件设为 Equal 1。只会在模板值为 1 的像素上绘制反射场景，其他像素被丢弃。

  3. 绘制镜子表面：最后正常绘制镜面材质（半透明或带高光），覆盖在反射图像上。

效果：只有镜子区域显示反射，不会“漏”到墙壁上。

例子 2：物体轮廓描边（非后处理方式）

需求：给一个角色绘制彩色轮廓（比如红色外发光）。

步骤：

  1. 写入模板：正常绘制角色，同时把角色占据的像素的模板值设为 1。

  2. 放大绘制轮廓：稍微放大角色模型，关闭深度写入，开启模板测试条件为 NotEqual 1。此时，放大后的模型只在角色外部的像素上绘制（因为内部像素模板值为 1，不满足 NotEqual 1）。

  3. 轮廓颜色：用纯色（红色）绘制放大后的模型，就得到了一个围绕角色的红边。

注意：这种是几何放大法，不如后处理描边平滑，但适合风格化游戏。

例子 3：体积光 / 聚光灯遮罩

需求：让聚光灯只照亮某个形状内的物体（比如一个窗户形状）。

步骤：

  1. 写入模板：绘制窗户的几何体，设置模板为 1。

  2. 绘制光照：在渲染光照时，模板测试条件设为 Equal 1，光线只出现在窗户形状内。

  3. 结果：光就像透过窗户打进来一样。

例子 4：Stencil Shadow Volumes（传统阴影体）

需求：生成硬阴影。

步骤：

  1. 从光源方向计算物体的阴影轮廓，拉伸成一个无限长的“阴影体”。

  2. 第一次绘制阴影体：正面朝向相机时模板值 +1，背面朝向相机时模板值 -1。

  3. 最后，模板值为 0 的像素在阴影外，非 0 的像素在阴影内。

  4. 将阴影内的像素变暗。

现在多使用 Shadow Map，但 Stencil Shadow Volumes 仍是学习渲染原理的经典案例。

5. 虚幻引擎中的 Custom Stencil

在虚幻引擎里，引擎自身会用模板缓冲区做某些内部处理（例如遮挡标记、景分离等）。为了避免冲突，UE 额外提供了一个 Custom Stencil 通道，专门留给开发者自由使用。

  • Set Custom Depth Stencil Value 节点就是往这个自定义通道里写入一个值（1~255）。

  • 后处理材质中通过 SceneTexture:CustomStencil 节点读取这个值。

典型用法（Lyra 项目的描边）：

  1. 给红队角色所有网格体设置 Custom Stencil = 1，蓝队 = 2。

  2. 后处理材质读取每个像素的 Custom Stencil 值。

  3. 如果当前像素值为 0（背景），但相邻像素值为 1 或 2，就把该像素染成红或蓝——这就是轮廓描边的本质。

6. 总结一句话

模板缓冲区就是一张像素级的“标签贴纸”，你可以先在某些地方贴上数字标签，然后在画别的东西时，只允许在贴了特定标签的地方下笔。它是实现镜子、轮廓描边、体积光、阴影体等大量特效的基础工具。