1. 移动端 GPU 可见性剔除机制对比

1.1 概览

1.2 PowerVR HSR (Imagination)

1.2.1 原理

TBDR 架构中，所有几何体先提交到 Tile，HSR 在 PS 执行前对整个 Tile 做可见性解析，只对最终可见像素跑 PS。

1.2.2 特性

• 不透明物体绘制顺序不影响 HSR 效率，overdraw 始终约 1x
• 不需要 Z-prepass，HSR 等效于免费的深度预处理
• AlphaTest / discard 会打断 HSR，GPU 无法提前判断可见性
• 写入 gl_FragDepth 会干扰 HSR（读取 gl_FragCoord.z 本身不影响）

1.2.3 最佳实践

• 不需要排序不透明物体
• 尽量减少 discard / alphaTest
• 透明物体仍需从后到前排序
• 使用 PVRTune 分析 HSR 效率

1.2.4 适用设备

• iPhone 5s ~ iPhone 7（A7~A10，PowerVR G6430/GX6450/GT7600 系列）
• 部分联发科芯片（早期 PowerVR 授权）

1.3 Apple GPU HSR (Apple A11+)

1.3.1 原理

Apple 自研 GPU（A11 起）采用 TBDR 架构，内置 Hidden Surface Removal (HSR)。所有几何体先提交到 Tile，HSR 在 PS 执行前对整个 Tile 做可见性解析，只对最终可见像素跑 PS。A7~A10 使用 PowerVR 授权 GPU，HSR 来自 PowerVR 实现；A11 起为 Apple 独立设计的 GPU，但保留了 TBDR+HSR 架构。

1.3.2 特性

• 不透明物体绘制顺序不影响 HSR 效率，overdraw 始终约 1x
• 不需要 Z-prepass，HSR 等效于免费的深度预处理
• AlphaTest / discard 会打断 HSR
• 与 PowerVR HSR 行为一致，A7~A10 直接使用 PowerVR GPU，A11 起为 Apple 自研但保持相同架构

1.3.3 最佳实践

• 不需要排序不透明物体
• 尽量减少 discard / alphaTest
• 透明物体仍需从后到前排序

1.3.4 芯片支持明细

总结：A7~A10 使用 PowerVR 授权 GPU，HSR 来自 PowerVR 实现。A11 起 Apple 自研 GPU，独立实现 TBDR+HSR 架构，全系列支持 HSR。

1.3.5 官方文档

• Apple Metal Best Practices Guide
• Harness Apple GPUs with Metal (WWDC 2020)
• Apple Metal

1.4 Mali FPK (ARM)

1.4.1 原理

Forward Pixel Kill 允许后提交的不透明片元"杀死"先提交的被遮挡片元，在 PS 执行前丢弃。

1.4.2 特性

• 不是保证级的，极端情况下仍可能有过度绘制
• 后画的物体可以杀死先画的被遮挡片元
• 配合 Early Z 一起工作
• 能力弱于 PowerVR HSR

1.4.3 最佳实践

• 不透明物体正面到背面排序仍有帮助
• 避免 discard / alphaTest
• 透明物体从后到前排序
• 可用 Pixel Local Storage 实现近似 OIT

1.4.4 适用设备

• 三星 Exynos 全系
• 联发科天玑系列（Mali GPU）
• 部分国产芯片

1.4.5 芯片支持明细

总结：FPK 在 Midgard 架构（T6xx/T7xx/T8xx）即已引入，T860/T880 增强。Bifrost (G71+) 及 Valhall 架构完整支持并持续优化。

1.4.6 官方文档

• ARM Mali GPU Best Practices
• Mali Forward Pixel Kill (FPK Patent US9619929B2)
• ARM Mali Midgard Architecture Explored (AnandTech)

1.5 Adreno LRZ (Qualcomm)

1.5.1 原理

维护一个低分辨率（1/8）深度缓冲，在 binning pass 中构建每个 8x8 像素块的深度值，rendering pass 中据此做早期剔除。官方描述为 “draw order independent depth rejection”（绘制顺序无关的深度剔除）。

1.5.2 特性

• 粒度为 8x8 像素块，每块存储一个 Z16_UNORM 深度采样，无法精确到像素
• 绘制顺序无关：LRZ 值在 binning pass 由所有几何体构建，rendering pass 中基于预构建的值剔除，不依赖绘制顺序
• 正面到背面排序仍可提升 Early-Z 效率（Early-Z 是 LRZ 之外的补充机制）
• 深度写入方向不能中途切换（如从 LESS 切到 GREATER），否则 LRZ 失效
• 深度写入必须开启，深度比较函数需为 LESS/LESS_EQUAL 或 GREATER/GREATER_EQUAL
• A650+ (SD 865+) 支持 GPU 端方向追踪和跨 renderpass 复用 LRZ
• A7XX 引入双向 LRZ，消除方向切换的性能损失

1.5.3 最佳实践

• 不透明物体正面到背面排序可提升 Early-Z 效率（LRZ 本身绘制顺序无关）
• 严重过度绘制场景加 depth pre-pass，可提升 20-40% 性能
• 避免 discard / alphaTest / gl_FragDepth 写入（会临时禁用 LRZ）
• 避免 fragment shader 中写入 SSBO / image（会强制 Late-Z，与 LRZ 不兼容）
• Vulkan 下利用 VkRenderPass load/store 帮助驱动判断 LRZ 使用时机

1.5.4 适用设备

• 高通骁龙（Adreno GPU），国产安卓手机最大份额 GPU

1.5.5 芯片支持明细

总结：Adreno 6xx 及以后完整支持，Adreno 5xx 部分支持，更早不支持。

1.5.6 官方文档

• Qualcomm Developer
• Low-resolution-Z on Adreno GPUs (Danylo Piliaiev, Igalia)
• Low Resolution Z Buffer (Mesa Freedreno 文档)
• LRZ Buffer Support on Turnip (Samuel Iglesias, Igalia)
• Low Resolution Buffer Based Pixel Culling (Qualcomm Patent US20120280998)

1.6 针对石头+地表场景的建议

1.6.1 场景描述

管线顺序：PBR → 石头 → 草 → 地表 问题：石头屏占比高、PS 复杂、大量在地表之下被遮挡

1.6.2 各硬件下方案

1.6.3 通用方案（全平台有效）

方案1: 调渲染顺序
  地表 → PBR → 石头 → 草
  最简单，深度测试自然挡住地下石头

方案2: 地表 Z-prepass
  地表 Z-prepass（ColorMask 0）→ PBR → 石头 → 草 → 地表正式绘制
  适合不想改最终绘制顺序的场景

方案3: 石头 depth prepass
  石头 Z-prepass → 石头正式绘制 → ...
  解决石头自身遮挡，但不解决地表遮挡石头的问题

1.6.4 注意事项

• 地表如果是 AlphaTest，HSR/FPK/LRZ 全部失效，必须依赖排序或 prepass
• Z-prepass 不会导致 Z-fight（同一 VS 输出深度一致）
• 正式绘制用 ZTest LEqual（默认），不会被自己的 prepass 深度剔除
• 双 Pass 方案顶点处理翻倍，draw call 翻倍

1.7 Early-Z（传统 IMR GPU 基线）

1.7.1 原理

GPU 固定管线中，深度测试发生在 PS 之前（称为 Early-Z）。如果片元被已有深度值遮挡，直接丢弃，不执行 PS。

1.7.2 特性

• 顺序强依赖：只有先画的更近物体写入深度后，后画的更远物体才能被剔除
• 背面到正面绘制 = Early-Z 完全无效，所有 PS 白跑
• 不是保证级，以下情况 GPU 会将深度测试推迟到 PS 之后（Late-Z）：
  • PS 中使用 discard / clip / alphaTest
  • PS 中写入 gl_FragDepth / SV_Depth
  • PS 中读取深度值（gl_FragCoord.z）
• Early-Z 是 PC 桌面 GPU（NVIDIA / AMD IMR 架构）和所有移动 GPU 的基础能力

1.7.3 最佳实践

• 不透明物体正面到背面排序
• 严重过度绘制场景加 Z-prepass
• 避免 PS 中 discard / 深度写入 / 深度读取
• 透明物体放最后，从后到前画

1.8 全方案对比

1.8.1 关键差异解读

1. Early-Z 是所有人的基线：HSR/FPK/LRZ 都是在 Early-Z 基础上的增强，不是替代。当这些增强机制失效时，退回到 Early-Z 行为。

2. 顺序依赖是核心区别：

   • Early-Z：石头先画地表后画 → 石头 PS 白跑（深度缓冲还没有地表深度）
   • LRZ：binning pass 中已构建所有几何体的低精度深度 → 即使石头先画，LRZ 仍可在 rendering pass 中剔除被遮挡片元（但粒度为 8x8 块级）
   • HSR（PowerVR / Apple）：同一 Tile 内所有几何体先收集完再解析可见性 → 石头 PS 不白跑（像素级精确）
   • FPK：介于两者之间，后画的更近片元可以杀死先排队的片元

3. AlphaTest 是共同弱点：所有方案遇到 discard 都失效，因为 GPU 无法在不执行 PS 的情况下知道片元是否存活。

1.9 参考文档

• Imagination PowerVR Architecture - Hidden Surface Removal
• Sorting Objects on PowerVR Hardware (Imagination Blog)
• Do Not Use Discard (PowerVR 文档)
• Apple Metal Best Practices Guide
• Harness Apple GPUs with Metal (WWDC 2020)
• ARM Mali GPU Best Practices
• Mali Forward Pixel Kill (FPK Patent US9619929B2)
• ARM Mali Midgard Architecture Explored (AnandTech)
• Qualcomm Developer
• Low-resolution-Z on Adreno GPUs (Igalia)
• Low Resolution Z Buffer (Mesa Freedreno 文档)
• LRZ Buffer Support on Turnip (Igalia)
• Low Resolution Buffer Based Pixel Culling (Qualcomm Patent)