无厚度_低厚度的zfighting问题

最近在水qq群的时候遇到了一个问题：无厚度的披风zfighting问题。

好的，我们来分析一下这个关于Unity中双面材质披风Z-fighting（Z冲突，也常被称作深度冲突）的问题。

对话中的核心问题：

为什么一个两面颜色不同的披风，Cull Back (背面剔除) 可以缓解Z-fighting？
Z-fighting不是精度问题吗？怎么能用剔除来解决？
为什么有些角色两边颜色不同的披风就不会出现这种情况？

让我们一步步来解释。

理解Z-fighting
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首先，我们要明白什么是Z-fighting。当两个或多个多边形（模型面片）在屏幕上的同一像素位置，并且它们的深度值（Z值，表示离摄像机的远近）非常接近甚至相同时，在光栅化阶段的ztest时，显卡就难以通过深度图来判断哪个面应该显示在前面。这会导致这些面片在该像素上交替闪烁，或者出现“缝合”一样的破碎效果，尤其在摄像机或物体移动时更为明显。这就是Z-fighting。具体参见基本渲染管线：ztest发生在光栅化的片元着色后。

基本渲染管线

主要原因有两个：

深度缓冲精度有限：深度缓冲区（Z-buffer）用来存储每个像素的深度值，它的精度是有限的（比如16位、24位、32位浮点数）。当物体离摄像机非常远，或者摄像机的近裁剪面（Near Clip Plane）和远裁剪面（Far Clip Plane）设置的范围过大时，深度值的精度会下降，导致原本不同深度的表面被量化到相同的深度值。
共面或几乎共面：如果两个面片在几何上就是重叠的，或者非常非常接近，那么它们的深度值自然也会非常接近，容易引发Z-fighting。

为什么`Cull Back`可以缓解特定情况下的Z-fighting？
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现在来解释这个情况：一个两面颜色不同的披风。

双面渲染与Z-fighting：
- 如果这个披风是用单个面片（thin geometry/single-sided mesh）建模的，为了让它两面都显示不同颜色（或者都能被看见），你可能会在Shader中设置 Cull Off（关闭剔除）。 [4] [5]
- 当设置为 Cull Off 时，同一个面片的“正面”和“背面”都会被尝试渲染。关键在于，对于一个无限薄的单个面片来说，它的“正面”和“背面”在空间中的位置是完全相同的。这意味着它们的深度值也是完全相同的。
- 此时，GPU在渲染这个面片时，正面和背面都在争抢同一个像素的写入权，因为它们的深度值一样。这就直接导致了Z-fighting。
Cull Back的作用：
- Cull Back 的意思是“剔除背面”。在Unity（以及大多数3D引擎）中，默认情况下，多边形的顶点是按特定顺序（通常是顺时针或逆时针，称为Winding Order）定义的，这个顺序决定了哪个是正面，哪个是背面。
- 当你将剔除模式设置为 Cull Back 时，只有面片的正面会朝向摄像机时才会被渲染，背面则会被丢弃不渲染。 [4] [5]
- 对于你那个单面建模的披风，如果开启了 Cull Back，那么当摄像机看到披风的“正面”时，只有正面被渲染；当摄像机转到能看到披风“背面”的角度时（此时原来的“正面”就成了背向摄像机的面），这个面片因为是“背面”（相对于其法线方向和剔除设置）而不会被渲染。
- 所以，Cull Back** 实际上是阻止了同一个面片的两个“虚拟”的、在同一深度的面（正面和背面）同时参与渲染竞争。它并没有改变深度缓冲区的精度，而是通过只渲染一面，直接消除了冲突的根源。**
精度问题怎么能用剔除解决的？
- 严格来说，剔除并没有“解决”深度缓冲区的精度问题本身。深度缓冲区的精度依然是那么多。
- 但是，对于由 Cull Off 导致的、同一个几何体的正反两面在完全相同深度上竞争所引发的Z-fighting，剔除（比如Cull Back或Cull Front）通过只允许其中一个面参与渲染，从而避免了这场“战斗”。如果只有一个参与者，自然就没有战斗了。
- 所以，这里的“解决”更应该理解为“规避”了导致Z-fighting的特定条件。

为什么有些角色两边颜色不同的披风就不会出现这种情况？
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这种情况通常有以下几种原因：

不同的建模方式：
- 使用两个独立的、略微分开的面片（Shell/Double Mesh）：最常见的做法是，披风不是一个无限薄的单面片，而是由两层略有间距的面片组成，或者是一个有实际厚度的“壳”状模型。一层代表披风的外面，另一层代表披风的内面。这两层有各自的法线方向，并且在空间上有微小的物理分离。这样，它们的深度值本身就有差异，不容易发生Z-fighting。每一层都可以使用标准的 Cull Back。
- 这种情况下，你可以给外面和内面的材质分别指定不同的颜色或纹理。
更高级的Shader技巧（即使是单面片）：
- **使用 VFACE 或 **gl_FrontFacing：现代Shader语言（如HLSL, GLSL）提供了一个语义（如 VFACE 在ShaderLab/HLSL中，或 gl_FrontFacing 在GLSL中），它可以在片元着色器（Fragment Shader/Pixel Shader）中判断当前正在处理的片元是属于正面还是背面。 [7]
- 通过这个判断，即使设置了 Cull Off，也可以在同一个Shader Pass里，根据是正面还是背面，来采样不同的颜色或纹理，或者执行不同的光照计算。这样只渲染一次，但根据朝向选择不同的外观，避免了两个pass在相同深度上的竞争。
- 例如，在Shader中可以这样写（伪代码）：

Cull Off // 关闭剔除，让两面都进入渲染管线

float4 fragment_shader(VertexOutput input, fixed facing : VFACE) : SV_Target {
    float4 color;
    if (facing > 0) { // 或者 facing > 0 对于某些平台表示正面
        color = SampleTextureForFrontFace(input.uv);
    } else {
        color = SampleTextureForBackFace(input.uv);
        // 对于背面，法线可能需要反转才能正确光照
        input.normal = -input.normal;
    }
    // ... 进行光照计算等
    return color;
}

不同的摄像机或场景设置：
- 如果其他披风距离摄像机非常近，或者摄像机的近裁剪面和远裁剪面之间的范围（far/near ratio）设置得比较合理（比例较小），那么深度缓冲的精度在那个距离上可能足够高，即使是微小的深度差异也能被区分开。

总结
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对于你的问题：

披风很可能是用单层非常薄的几何体制作的。
当你使用一个希望两面都显示（可能用了 Cull Off 或者一个强制双面渲染的Shader）的材质时，这个几何体的“正面”和“背面”在完全相同的深度上，导致Z-fighting。
设置 Cull Back 后，只渲染了其中一面（通常是法线朝外的那一面），另一面被剔除，冲突消失，所以Z-fighting“缓解”了。但代价是，如果你的披风需要从反面看也有不同的颜色，那么 Cull Back 会导致反面不可见或者显示的是正面的颜色（取决于你如何处理法线和光照）。

解决方案建议：

最佳实践：模型层面处理
- 如果希望披风内外两侧有不同材质且稳定显示，最好的方法是在3D建模软件中就将披风做成两层独立的网格，或者给予它一定的厚度。然后给内外两层分别赋予不同的材质，并都使用默认的 Cull Back。
Shader层面处理 (如果必须用单层网格)
- 使用一个支持 VFACE (或等效功能) 的自定义Shader。在Shader中设置 Cull Off，然后在片元着色器中根据 VFACE 的值来判断是正面还是背面，并据此应用不同的颜色/纹理和光照逻辑。这样可以只用一个渲染遍（Pass）就实现双面不同材质的效果，且能有效避免Z-fighting。
调整深度偏移 (Polygon Offset / Shader Offset)
- 在某些情况下，可以通过在Shader中对其中一个“面”（比如背面）的深度值进行微小的偏移（Polygon Offset，在Unity ShaderLab中可以用 Offset 命令）来尝试解决Z-fighting。但这需要小心调整，且可能在某些角度或距离下仍然出现问题或产生其他视觉瑕疵。