GPU Gems 2 · Chapter 6. Hardware Occlusion Queries Made Useful

用保守包围盒、空间层次、front-to-back 遍历和上一帧可见性，将硬件 occlusion query 的 latency 与 query overhead 控制在可用范围。

学习目标

能解释 hardware occlusion query 为什么同时带来额外 draw call 和结果 latency
能用保守包围盒、空间层次和 front-to-back 顺序建立正确的可见性测试
能说明 temporal coherence、query queue 与 pull up 如何减少等待和无效 query
能判断城市漫游等高遮挡场景适合 occlusion culling，而高空飞越等低遮挡场景应关闭它

硬件 occlusion query 可以询问一段近似几何通过深度测试后产生了多少可见像素。听起来像是“画前先问 GPU”，但朴素使用会产生两个问题：发 query 本身是一条额外绘制命令，读取结果又可能让 CPU 等待 GPU 完成之前的工作。

query 只测试便宜且保守的近似几何；真正的复杂物体只在结果允许时绘制。

1. 用保守近似测试复杂物体

通常不直接光栅化复杂 mesh，而是关闭颜色写入、保留深度测试，并绘制一个便宜的包围盒。可见像素数大于阈值，就说明复杂物体可能可见；像素为零，才可以跳过复杂绘制。

是正确性的核心。盒子太松会多做一些工作，但盒子太紧会漏画。靠近相机 near plane 的节点还要注意盒子前面被裁掉导致零片段的问题。

2. 用空间层次减少 query 数量

可以是 k-d tree、BSP、octree 或 bounding-volume hierarchy。内部节点代表一组对象，测试一个被遮挡的内部节点，就可能跳过它下面大量 draw calls、三角形和过度绘制。

在层次结构中测试大的 occluded 内部节点，一次 query 可以跳过它下面的许多 draw calls。

朴素的层次算法仍可能为每个可见内部节点发 query，甚至把屏幕填充很多次来测试大盒子。更好的做法需要利用上一帧的分类：上一帧已经可见的内部节点先递归，上一帧不可见的大节点才是值得验证的 query 候选。

3. 用 temporal coherence 隐藏 latency

允许系统把上一帧可见当作本帧的工作提示。可见猜错只会多遍历或多画一些，query 结果稍后回来时更新下一帧分类；不可见猜错则必须在结果到达时向下遍历，不能永久跳过。

让 CPU 不必在每个节点上停住。遍历 hierarchy 的同时检查队首结果：可用就处理，不可用就继续做前后排序、提交已知可见节点等工作。

预测错为可见只会多做工作；预测错为不可见可能漏画，因此不可见猜测必须在结果到达时拉回遍历。

4. coherent hierarchical culling 的规则

把两条经验组合起来：第一，上一帧可见的 interior node 不发 query，直接访问子节点；第二，上一帧可见的 leaf 可以发 query 但先绘制；第三，上一帧不可见的最大节点发 query，结果可见时再 pull down 遍历其子树。

pull up 用子节点结果推导父节点可见性，避免为已经知道可见的内部节点反复发 query。

当 query 结果证明一个节点可见时，visibility 可以向树根 pull up；当一个曾经可见的节点变为不可见，下一帧则不再沿它的路径直接遍历。每帧使用 frame ID 标记访问，避免为整个树做昂贵的全量清零。

5. 什么时候值得用

城市漫游、室内街区和有大块建筑遮挡的动态场景通常适合。它们存在被遮挡的内部节点，一次 query 可以跳过许多对象。高空飞越、开阔平原或几乎没有遮挡的场景则不同：所有节点都可能可见，query 数量和包围盒光栅化反而增加成本。

还可以把它放在 z-only pass 中，先获得稳定的深度和 visibility，再让后续昂贵 shading pass 跳过不可见对象。阈值优化可以把很少像素的对象当成不可见，但阈值过高会误删潜在的 occluder，需要用图像正确性和 profile 一起校验。

6. 动手实验：遮挡、连续性与查询队列

实验中的 query、stall 和 skipped 数量是趋势示意，不是 GPU benchmark。把遮挡调低，观察 query 失去收益；把帧间连续性调低，观察预测变差、等待增多。切换到高空飞越时，应认真考虑关闭 occlusion culling。

Coherent hierarchical culling 实验

用场景遮挡和上一帧连续性观察 query 与等待的变化趋势。

场景模式遮挡程度：68%帧间连续性：80%

遮挡充分时，层次节点能一次排除多个物体。

小结

occlusion query 用保守近似几何测试可见像素，但自身有 draw 与 latency 成本。
spatial hierarchy 把许多对象聚成可一次测试的内部节点。
temporal coherence 允许先按上一帧可见性做有用工作，再异步纠正猜测。
query queue、front-to-back 和 pull up 共同减少 stall 与无效 query。
高遮挡动态场景适合，开阔场景应通过统计关闭该路径。

练习

问题 1｜正确性　一个物体的包围盒 query 返回零像素，但物体实际有一角可见。最可能的两个原因是什么？

问题 2｜队列流程　为什么 query 结果未返回时仍能继续渲染上一帧可见的 leaf？

问题 3｜场景选择　高空飞越中几乎没有遮挡，是否应该增加更多 query 以“确认可见”？

名词解释

本章出现的专业名词，用大白话再讲一遍。

occlusion query: 查询近似几何可见片段数量的硬件机制。
conservative bounding box: 覆盖真实物体屏幕范围的保守包围盒。
spatial hierarchy: 递归分组空间对象、支持内部节点测试的层次结构。
temporal coherence: 连续帧可见性具有稳定性的性质。
query queue: 保存未完成 query 并轮询可用结果的队列。
coherent hierarchical culling: 利用层次、时间连续性和队列隐藏 query 成本的剔除算法。