前言

在之前写卡渲时因对深度图的了解不够，导致对等宽边缘光困惑了不少时间，为了加深对unity 中深度的理解，查了不少资源，发现不少讲的都有问题，但还好自己琢磨解决了。本文对其进行了总结。总的来说介绍了unity中深度是如何计算的，两种深度模式及获取对应模式的深度图，为什么得到的深度图全黑？

测试环境

  • Unity 2022.3.12f1
  • win10
  • JetBrains Rider 2023.2

Unity如何计算深度？

  • 在之前学习dx12时，笔者了解到的深度缓冲区中的深度是从近到远，值从0~1，最近为0，最远为1。但在unity中，不同平台下的深度表示都不同，如Android平台下，从近到远，深度值由0到1；windows(DX11) / IOS下，从近到远，深度值由1到0.本文以windows(DX11)为例，来看看unity 中深度是如何计算的

  • 在图形学中，物体的显示需要经过MVP变换至齐次裁剪空间，这一过程就不推导了，总的来说齐次裁剪矩阵如下：

    那么任一点V(只考虑z值的话)乘以矩阵P 可得 Z = (\frac{zf - nf}{f - n})，分别将n和f代入该式子。可得：z = 0;z = f，因此可以得出在齐次裁剪空间中z值范围为[0, f]

  • 但在unity中得到的深度图的深度是基于NDC空间，因此还需要对上述求得的z除以w（因为刚刚求得的w = z，而0 <= n <= z <= f）进行规范化，可得Z = \frac{zf - nf}{z(f - n)}，依然分别将n和f代入该式子，可得：z = 0; z = 1，这里求得在NDC空间中z值范围为[0,1]。等等！这和笔者之前说的完全是相反的，在windows下近屏幕的z = 1， 远屏幕的z = 0，这是为什么呢？

  • 原来unity为我们做了一次反转操作：z_{new} = 1 - z。为什么需要反转呢？

    • 先来看看不反转带来的问题
      如下图所示，可以看出当近远平面越接近，深度精度越高；当物体逐渐远离近平面，深度精度越低(两个z值接近的图元难以判断其远近，这也就是z-fighting的原因)

    • 反转后
      下图是反转后的曲线。看起来好像然并卵？事情并没有这么简单，上述存在的问题是，当图元越远离近平面，depth精度越低，但浮点数有一个优点：当浮点数越接近0时，精度越高。因此在下图中，越远离近平面，z值越小越接近0，反而精度更高

    那么最终计算公式为depth =\frac{n(f - z)}{z(f - n)} ，当图元处于近平面，depth = 1；当图元处于远平面，depth = 0

三种深度图模式

  • URP中，深度图有三种模式：CopyDepth Pass、DepthPrepass、DepthNormalsPrepass

CopyDepth Pass

  • 该Pass会将Render Queue为Geometry&AlphaTest的Opaque图元写入深度图_CameraDepthTexture，也就是说该深度图在渲染完不透明物体后才有

  • 启用CopyDepth Pass

    1. 启用Render data Asset的"Depth texture"

    2. 关闭Render data的"SSAO"

DepthPrepass

  • 该Pass在阴影渲染后执行，并写入深度图_CameraDepthTexture
  • 启用DepthPrepass
    1. 启用Render data Asset的"Depth texture"
    2. 打开Render data的"SSAO"，并将"Source"设为"Depth"
    3. 在shader中添加Pass"DepthOnly"：DepthPrepass会将pass为"DepthOnly"的图元写入深度图

DepthNormalsPrepass

  • DepthNormalsPrepass代替DepthPrepass，同样在阴影渲染后执行，但它不仅写入深度_CameraDepthTexture，还写入法线_CameraNormalsTexture(法线范围[-1, 1])
  • 启用
    1. 启用Render data Asset的"Depth texture"
    2. 打开Render data的"SSAO"，并将"Source"设为"Depth"
    3. 在shader中添加Pass"DepthNormals"：DepthNormalsPrepass会将pass为"DepthNormals"的图元写入深度图

三种深度

Raw Depth

  • Raw Depth表示深度缓冲区的原始数据，近平面为1，远平面为0

Linear 01 Depth

  • Linear 01 Depth表示将Raw Depth变换为线性，且近平面为0，远平面为1

Linear Eye Depth

  • Linear Eye Depth表示沿相机z轴的深度，且深度范围不再是[0,1]，而是unity中的距离单位(如1表示沿z轴距离相机1个距离单位)

为什么得到的深度图全黑

  • 如果您仔细看了以上内容，并且设置无误，那么问题很有可能在camera(反正笔者是这样的)。需要设定相机的近远平面

  • 其余可能全黑的原因：渲染顺序，及是否添加对应Pass

reference

https://zhuanlan.zhihu.com/p/389971233

https://zhuanlan.zhihu.com/p/648793922

他们曾如此骄傲的活过，贯彻始终