WebGPU學習（四）:Alpha To Coverage

你們好，本文學習與MSAA相關的Alpha To Coverage以及在WebGPU中的實現。

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WebGPU學習（三）:MSAA

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WebGPU學習（五）: 現代圖形API技術要點和WebGPU支持狀況調研

學習Alpha To Coverage

前置知識

• WebGPU學習（三）:MSAA
• 一個fragment對應一個像素

介紹

開啓了MSAA和Alpha To Coverage後，fragment的alpha值（fragment shader輸出的顏色的alpha值）會影響該fragment對應像素的採樣點是否被覆蓋。

動機

參考亂彈紀錄II:Alpha To Coverage：

原理

覆蓋檢測

經過WebGPU學習（三）:MSAA對MSAA原理的介紹，咱們知道gpu要通過覆蓋檢測的步驟，來決定哪些採樣點被覆蓋。沒有被覆蓋的採樣點不會進入「解析」步驟。

覆蓋檢測的結果是計算出每一個fragment的coverage（覆蓋率）。

根據亂彈紀錄II:Alpha To Coverage 的說法，開啓MSAA後，每一個fragment帶了一個新屬性coverage（覆蓋率），它是一個二進制的bit掩碼mask。

以4X MSAA爲例，每一個fragment的coverage爲xxxx，其中x爲0或1。它的每一位對應像素的一個採樣點sample，0表示該sample沒被覆蓋，1表示被覆蓋。

因此coverage這個掩碼對應了採樣點的覆蓋狀況。

如何計算coverage

1.用戶能夠設置一個固定的coverage掩碼，這裏命名爲FixedSampleMask

2.gpu檢測每一個像素有哪些採樣點被primitive覆蓋，獲得該採樣點的coverage掩碼，這裏命名爲RasterizerCoverageMask

3.若是開啓了Alpha To Coverage，則會將fragment的alpha值轉換爲coverage掩碼，這裏命名爲AlphaCoverageMask

轉換的算法能夠參考亂彈紀錄II:Alpha To Coverage ：

一個fragment的Alpha值在0~1間，它對應着一個dither mask。仍是以4XMSAA爲例，這個dither mask也是xxxx的形式，Alpha爲0對應了0000，alpha爲1對應了1111，至於中間的值的對應關係，OpenGL是交由顯卡製造商決定的——其實通常就是相似[0~0.249 -> 0000, 0.25~0.499 -> 0001, 0.5~0.749 -> 0011, 0.75~0.99-> 0111]這樣。

4.fragment shader能夠輸出該fragment的coverage掩碼，這裏稱爲FragShaderSampleMaskOutput

像素最終的coverage = FixedSampleMask & RasterizerCoverageMask & AlphaCoverageMask & FragShaderSampleMaskOutput
（「&」是邏輯與運算，如0011 & 0010 = 0010）

參考資料

亂彈紀錄II:Alpha To Coverage

WebGPU實現Alpha To Coverage

暫時沒有實現的sample，咱們根據WebGPU規範和相關資料，分析下WebGPU如何實現Alpha To Coverage。

• 在render pipeline descriptor中設置固定的coverage掩碼FixedSampleMask和是否開啓Alpha To Coverage：

dictionary GPURenderPipelineDescriptor : GPUPipelineDescriptorBase {
...
    unsigned long sampleMask = 0xFFFFFFFF;
    boolean alphaToCoverageEnabled = false;
...    
};

咱們注意到sampleMask是unsigned long類型，它是32位的，而coverage應該是二進制的（如4X MSAA的coverage是4位的二進制），因此這裏是進行了進制轉換。

舉例來講：
對於4X MSAA，若是設置sampleMask爲0x1（十六進制），則它轉換爲二進制是0001；
若是設置sampleMask爲0x3，則它轉換爲二進制是0010

• 能夠在fragment shader中設置輸出的coverage掩碼FragShaderSampleMaskOutput

根據Investigation: Multisample Coverage，咱們知道Vulkan->SPIR-V的fragment shader支持內置的SampleMask變量。

由於Chrome實現的WebGPU也使用SPIR-V做爲shader編譯後的字節碼，因此WebGPU在這點上應該與Vulkan相似。

我沒有搜索到SPIR-V中關於SampleMask的詳細資料，可是考慮到Chrome實現的WebGPU使用GLSL 4.5，因此咱們能夠看下它關於gl_SampleMask的說明：

Name
gl_SampleMask — specifies the sample coverage mask for the current fragment
Declaration
out int gl_SampleMask[] ;

咱們看到gl_SampleMask的每一個元素的類型是32位的，因此也進行了進制轉換。

又由於它是數組，因此它支持coverage爲超過32位的二進制（如支持64X MSAA）

用代碼來講明：

//in fragment shader

gl_SampleMask[0] = 1;   //對於4X MSAA來講，至關於設置該fragment的coverage爲0001

//in fragment shader

gl_SampleMask[0] = 2;

gl_SampleMask[1] = 1;   //對於64X MSAA來講，可能至關於設置該fragment的coverage爲000...1000...10 （前面的000...1有32位，後面的000...10有32位） (我不能肯定這是否正確！)

• 若是開啓了Alpha To Coverage，則不能在fragment shader中輸出coverage掩碼

• 若是開啓了Alpha To Coverage，將alpha轉換爲掩碼的算法在不一樣的瀏覽器中不同

參考資料

Investigation: Multisample Coverage
Minutes for GPU Web meeting 2019-04-29
OpenGL->gl_SampleMask