《Unity Shader入门精要》笔记（二十三）

Doris232

本文为《Unity Shader入门精要》第十三章《使用深度和法线纹理》的第一节内容《获取深度和法线纹理》。

本文相关代码，详见：
原书代码，详见原作者github：
<hr/>1. 概念及原理

深度纹理实际是一张渲染纹理，里面存储的是高精度的深度值，数值的范围是[0, 1]，且是非线性分布的。

• 为什么是非线性分布的？
  

顶点从模型空间变换到其次裁剪坐标系下，是通过在顶点着色器中乘以MVP矩阵得到的，在变换的最后一步，如果使用了透视投影类型的相机，这个投影矩阵就是非线性的。

Unity透视投影对顶点的变换过程：



左图：观察空间下视椎体的结构及响应的顶点位置；中图：顶点着色器阶段输出的顶点变换结果；右图：底层硬件进行透视除法后得到的归一化的设备坐标；

注意：
投影过程建立在Unity对坐标系的假定上（观察空间为右手坐标系），使用列矩阵在矩阵右侧进行相乘，且得到NDC后z分量范围在[-1, 1]之间；
在类似DirectX这样的图形接口中，变换后z分量在[0, 1]之间。

Unity正交投影对顶点的变换过程：



正交投影使用的变换矩阵是线性的。

在得到NDC后，深度纹理中的深度值就对应了NDC中顶点坐标的z分量的值。由于z分量范围在[-1, 1]，所以需要进行映射，将其转为[0, 1]：
// depth：深度纹理中的深度值
// z：NDC坐标中z分量的值
depth = 0.5 * z + 0.5

• Unity如何得到一张深度纹理？
  
  
  
  • 当使用延迟渲染路径（包括：遗留的延迟渲染路径）时
    
  
  

延迟渲染会把深度信息渲染到G-buffer中，可直接访问深度缓存得到。

• 未使用延迟渲染时
  

通过一个单独的Pass渲染得到深度和法线纹理。
Unity使用着色器替换（Shader Replacement）技术选择渲染类型（SubShader的RenderType标签）为Opaque的物体，判断他们的渲染队列是否小于等于2500（内置的Background、Geometry和AlphaTest渲染队列都在这个范围）。如果满足条件，就把它们渲染到深度和法线纹理中。

• 如果只需要生成一张深度纹理
  

深度纹理的精度通常是24位或16位；
Unity会直接获取深度缓存，或是使用着色器替换技术，选取需要的不透明物体，并使用投射阴影时使用的Pass（LightMode为ShadowCaster的Pass）来得到深度纹理。如果Shader中不包含这样的纹理，这个物体就不会出现在深度纹理中，也不能向其他物体投射阴影。

• 如果需要生成一张深度纹理+法线纹理
  

Unity会创建一张和屏幕分辨率相同、精度为32位（RGBA每个通道为8位）的纹理，观察空间的法线信息被写入R、G通道，深度信息被写进B、A通道；
延迟渲染中法线信息很容易获得，Unity只需要合并深度和法线缓存即可；
而前向渲染中，默认不会创建法线缓存，因此Unity底层使用了一个单独的Pass把整个场景再次渲染一遍，整个Pass在buildin_shaders-xxx/DefaultResources/Camera-DepthNormalTexture.shader文件中可以找到。

2 如何获取

在C#脚本中设置camera的深度纹理模式：
// 让摄像机产生一张深度纹理
camera.depthTextureMode = DepthTextureMode.Depth;
// 让摄像机产生一张深度+法线纹理
camera.depthTextureMode = DepthTextureMode.DepthNormals;
// 让摄像机产生一张深度纹理和深度+法线纹理
camera.depthTextureMode  |=  DepthTextureMode.Depth;
camera.depthTextureMode  |=  DepthTextureMode.DepthNormals;

再在Shader中通过声明_CameraDepthNormalsTexture变量来访问它。

绝大多数情况下，可以直接使用tex2D函数对纹理采样即可，但在某些平台（如：PS3、PSP2），需要进行一些特殊处理。不过Unity提供了统一的宏SAMPLE_DEPTH_TEXTURE用来处理平台差异造成的问题：
// i.uv是float2类型的变量，对应当前像素的纹理坐标
float d = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv);

类似的宏还有SAMPLE_DEPTH_TEXTURE_PROJ、SAMPLE_DEPTH_TEXTURE_LOD，可以在Unity内置的HLSLSupport.cginc文件中找到。

• 关于SAMPLE_DEPTH_TEXTURE_PROJ
  

接受两个参数：深度纹理、float3或float4类型的纹理坐标；
内部使用了tex2Dproj这样的函数进行投影纹理采样，纹理坐标的前两个分量会除以最后一个分量，再进行纹理采样；
如果提供了第四个分量，还会进行一次比较，通常用于阴影的实现。
SAMPLE_DEPTH_TEXTURE_PROJ的第二个参数通常有顶点着色器输出差值得到的屏幕坐标：
// i.scr是顶点着色器中通过调用ComputeScreenPos(o.pos)得到的屏幕坐标
float d = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE_PROJ(_CameraDepthTexture, UNITY_PROJ_COORD(i.scrPos));

经过透视投影裁剪矩阵处理后的深度纹理，其深度值是非线性的，而计算过程中需要线性的深度值，就需要把投影后的深度值变换到线性空间下，例如：视角空间下的深度值。

• 如何进行这个转换？
  

倒推顶点变换的过程。

以透视投影为例，推导如何由深度纹理中的深度信息计算得到视角空间下的深度值：
由4.6.7节可知，当使用透视投影的矩阵Pclip对视角空间下 一个顶点进行变换后，裁剪空间下顶点的z和w分量为：

注：图片中的Zvisw实则为Zview，是原书作者笔误所致，下同。

Far和Near分别是远近裁剪平面的距离，然后通过齐次除法可以得到NDC下的z分量：



由上一小节可知，深度纹理中的深度值是通过下面的公式由NDC计算得到：
d = 0.5 * z + 0.5

由上面这些式子可以推导出用d表示得到的zview的表达式：



由于在Unity使用的视角空间中，摄像机正向对应的z值均为负值，因此为了得到深度值的正数表示，需要取反：



它的取值范围就是视椎体深度范围，即[Near, Far]。如果想得到范围在[0, 1]之间的深度值，只需要把上面的结果除以Far即可。这样，0就表示该点位于相机同一位置，1表示该点位于相机视椎体的远裁剪平面：



上述的计算过程，Unity封装到了辅助函数中，分别是：LinearEyeDepth、Linear01Depth。

• LinearEyeDepth
  

负责把深度纹理的采样结果转换到视角空间下的深度值——Z'view。

• Linear01Depth
  

返回一个范围在[0, 1]的线性深度值——Z01。
这2个函数内部都是用了内置的_ZBufferParams变量来得到远近裁剪平面的距离。

如果需要获取深度+法线纹理，可直接使用tex2D函数对_CameraDepthNormalsTexture进行采样，得到里面存储的深度和法线信息。
Unity提供了辅助函数对这个采样结果进行解码——DecodeDepthNormal，其在UnityCG.cginc里的定义：
// enc: 对深度+法线纹理的采样结果，是Unity对其编码后的结果
// xy分量存储视角空间下的法线信息，zw分量是深度信息
// depth：解码后的深度值，范围在[0, 1]，为线性深度值
// normal：解码后的视角空间下的法线方向
inline void DecodeDepthNormal(float4 enc, out float depth, out float3 normal)
{
    depth = DecodeFloatRG(enc.zw);
    normal = DecodeViewNormalStereo(enc);
}

3 查看深度和法线纹理

使用帧调试器（Frame Debugger）查看深度纹理和深度+法线纹理：



左：深度纹理，右：法线纹理

帧调试器看到的深度纹理是非线性空间的深度值，而深度+法线纹理都是由Unity编码后的结果，有时线性空间下的深度信息或解码后的发现方向更加有用，此时可在片元着色器中做转换或解码逻辑：
// 输出线性深度值
float  depth  =  SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture,  i.uv);
float  linearDepth  =  Linear01Depth(depth);
return  fixed4(linearDepth,  linearDepth,  linearDepth,  1.0);

// 输出解码后的法线方向
fixed3  normal  =  DecodeViewNormalStereo(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture,  i.uv).xy);
return  fixed4(normal  ＊  0.5  +  0.5,  1.0);

查看深度纹理时，如果画面几乎是全黑或全白时，可以将相机的远裁剪平面的距离（Unity默认为1000）调小，使之刚好覆盖场景的所在区域即可。若裁剪平面的距离过大，会导致距离相机较近的物体会被映射到非常小的深度值，导致看起来全黑（场景为封闭区域比较常见）；相反若场景为开放区域，物体距离相机较远，则会导致画面几乎全白。



左：线性空间下的深度纹理，右：解码后并且被映射到[0, 1]范围内的视角空间下的法线纹理

以上是本次笔记的所有内容，下一篇我们将学习《再谈运动模糊》。

写在最后

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