Three.js 中物體的遠近關係 (1) - 什麼是深度測試？

發布於: 2025-02-13 更新於: 2025-05-11 分類於: Three.js 閱讀次數:

此為 Three.js 中物體的遠近關係系列文章 - 第 1 篇：

前言

我想許多人一開始接觸 Three.js 中關於 深度測試(Depth testing) 的時候，常會聽到 depthTest, depthWrite，雖然看過很多文章講解這兩者的差別以及應用場景，但說真的還是無法體會兩者差在哪，於是萌生了研究深度測試的想法。而隨著對於深度測試的了解後才發現深挖的東西越來越多，所以才有了這一系列相關的文章

什麼是深度測試

當人的眼睛四處看的時候，會看到許多不同的物體，這些物體有些近、有些遠，遠的物體會被近的擋住，而當 Three.js 要渲染 3D 物件在場景上時也是一樣的道理，將物體呈現在畫面上時，需要了解每個物體相對於相機(也就是眼睛)之間的遠近關係，而如何判斷物體遠近關係，決定誰要呈現在前面最終將物體渲染到 2D 螢幕上的這種技術就是所謂的深度測試

深度測試是如何運作的

深度測試會將每個 像素(fragment) 的深度值存儲在 深度緩衝區 (Depth Buffer or z-buffer) 中，每個 像素(fragment) 深度值的範圍都會在 [0, 1] 之間，0 代表這個 像素(fragment) 離相機最近，而 1 代表離相機最遠，以 PerspectiveCamera 來說，0 與 1 分別代表的位置就是相機的 近平面(near plane) 與 遠平面(far plane)

圖片來源

在深度測試的過程中，會比較相機視線方向上所有物體的深度值，深度值較大的物體其 像素(fragment) 會被丟棄而不會繪製到畫面上。例如：A 物體與 B 物體都在相機的視線方向上，A 較近、B 較遠，當 A 物體先被繪製時，場景上都還沒有東西，這些空白場景 像素(fragment) 預設的深度值是 1.0，而 A 物體因為在近平面與遠平面之間，代表深度值會落在 [0, 1] 間，比預設的深度值 1.0 小，因此深度測試判斷 A 物體通過深度測試將其繪製到畫面上，接著繪製 B 時因為他比 A 還要遠，代表 B 的深度值大於 A 的深度值，此時深度測試判斷失敗把 B 的 像素(fragment) 丟棄，最終 B 就不會被繪製到畫面上

深度測試的啟用

在 Three.js 中深度測試的啟用定義在 Material.depthTest，預設值是 true，也就是說在繪製 Material 時，會先將 Material 中的每個 像素(fragment) 與原有 深度緩衝區 中的深度值進行比較，如果新的 像素(fragment) 比較近(也就是深度值較小) 就會繪製在畫面上，相反來說如果比較遠的話就將這個 像素(fragment) 丟棄，不會繪製到畫面上。而如果深度測試關閉的話，代表在繪製 Material 時不需要判斷其 像素(fragment) 與原有 深度緩衝區 中深度值的關係，也就是說這個 Material 中的 像素(fragment) 不管他所處的位置是遠是近，最終都會被繪製到畫面上

深度測試函式

指的是當比較兩個 像素(fragment) 比較深度值時使用的方式，前面有提到近的物體深度值較小、遠的物體深度值較大，而在進行深度測試時，深度值較小的物體會通過深度測試，為什麼深度值較小的代表通過深度測試呢？原因是定義在 Material.depthFunc 的深度測試函式，其預設值是 LessEqualDepth，代表當前 像素(fragment) 的深度值小於或等於 深度緩衝區 原有的深度值時通過測試，也就是渲染在畫面上。除了預設的 LessEqualDepth 外，還有以下幾種不同的比較方法：

運算符名稱	描述
LessEqualDepth	當前深度值小於或等於緩衝區原有的深度值時通過測試。
LessDepth	當前深度值小於緩衝區原有的深度值時通過測試。
GreaterEqualDepth	當前深度值大於或等於緩衝區原有的深度值時通過測試。
GreaterDepth	當前深度值大於緩衝區原有的深度值時通過測試。
EqualDepth	當前深度值等於緩衝區原有的深度值時通過測試。
NotEqualDepth	當前深度值不等於緩衝區原有的深度值時通過測試。
AlwaysDepth	始終通過深度測試，不論深度值如何。
NeverDepth	始終不通過深度測試，所有片段都會被丟棄。

是否寫入深度緩衝區

前面提到運行深度測試的時候會比較兩個 像素(fragment) 的深度值，比較後會將深度值較大的 像素(fragment) 丟棄，並把深度值較小的 像素(fragment) 寫入 深度緩衝區，特別的是要不要將深度值寫入 深度緩衝區 是可以自行設定的。在 Three.js 中是否寫入 深度緩衝區 的開關定義在 Material.depthWrite，預設值是 true，代表在繪製 Material 時，如果深度測試通過會把新 像素(fragment) 的深度值寫入 深度緩衝區。以兩個物體 A 與 B 來舉例，一開始 A 物體中的 像素(fragment) 寫入了深度值為 0.5，接著繪製 B 物體的 像素(fragment) 其深度值是 0.3，發現 B 物體中其 像素(fragment) 的深度值比較小通過深度測試，就會將 0.3 寫入深度緩衝區 中，在下次深度值比較的時候就會將新 像素(fragment) 的深度值拿來跟 0.3 進行比較了

了解深度測試的行為

下面藉由幾個例子更好的了解深度測試是如何運作的，請搭配線上 Demo 版自行操作

在這個例子中我創建了兩個平面，一個是紅色的平面(z=0)，另一個是藍色的平面(z=-1)，而相機視野的方向設定是朝向 -z 軸的，所以一開始可以看到紅色的平面在前而藍色的平面在後，下面這張圖是我稍微把相機拉高，所以可以看到後面的藍色平面

另外值得一提的是，在這個例子中我先繪製的是紅色的平面，接著才是藍色的平面，繪製順序對於後面分析物體遠近關係是很重要的

// first draw
this.redPlane = new Plane(experience);
this.redPlane.mesh.position.z = 0;
this.redPlane.mesh.material.color = new Color('#ff0000');

// second draw
this.bluePlane = new Plane(experience);
this.bluePlane.mesh.position.z = -1;
this.bluePlane.mesh.material.color = new Color('#0000ff');

Case 1. 切換深度測試的開關

紅色平面的 depthTest 設為 false => 藍色平面被繪製上去
繪製紅色平面時因為沒有開啟深度測試，因此紅色平面 像素(fragment) 的深度值也不會寫入 深度緩衝區 中，後面當繪製藍色平面時，藍色平面 像素(fragment) 比較的深度值都是 深度緩衝區 中預設的 1.0，藍色平面 像素(fragment) 都比 1.0 小通過深度測試，所以最終藍色平面覆蓋紅色平面繪製到畫面上

藍色平面的 depthTest 設為 false => 藍色平面被繪製上去
繪製藍色平面時因為沒有開啟深度測試，也就不會將藍色平面中的 像素(fragment) 去與原先 深度緩衝區 的值進行比較，最終藍色平面會直接繪製在畫面上。這邊可以看到一個特性，就是當 depthTest 關閉時，完全不需要管原有 深度緩衝區 中的深度值是多少，只要後畫的物體都一定會在畫面上呈現

Case 2. 改變深度測試函式

紅色平面的 depthFunc 改為 GreaterEqualDepth => 紅色平面沒有被畫上去
當繪製紅色平面時，由於紅色平面的位置在 遠平面(far plane) 之內，代表其 像素(fragment) 的深度值都小於 1，而改成 GreaterEqualDepth 後，代表深度值需要大於原有 深度緩衝區 的深度值，深度測試才會成功，但預設 深度緩衝區 中的深度值為 1.0，因此紅色平面的深度測試失敗，最終不會繪製出來

藍色平面的 depthFunc 改為 GreaterEqualDepth => 藍色平面被畫上去
跟上面的原因一樣，原本藍色平面的位置就在紅色平面之後，藍色平面的深度值都比紅色平面大，當 depthFunc 改為 GreaterEqualDepth 後，藍色平面的深度測試就都通過了，因此藍色平面被繪製出來

Case 3. 改變是否寫入深度緩衝區

紅色平面的 depthWrite 改為 false => 藍色平面被畫上去
因為紅色平面 像素(fragment) 其深度值並沒有被寫入 深度緩衝區，所以當繪製藍色平面時，藍色平面的 像素(fragment) 都是與 深度緩衝區 中預設的 1.0 比較，也就通過深度測試被繪製出來了

參考資料

深度测试

此為 Three.js 中物體的遠近關係 系列文章 - 第 1 篇：

前言