【URP】Unity[视差遮挡贴图]原理剖析实践

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视差遮挡贴图(Parallax Occlusion Mapping, POM)介绍

视差遮挡贴图是视差贴图技术的高阶实现,通过‌光线步进(Raymarching)算法‌精确计算视线与高度图的交点,模拟复杂表面(如砖墙、岩石)的几何遮挡效果。相比标准视差贴图,POM能更真实地表现深度变化和自阴影,适用于高精度材质表现。

核心原理

  • 分层深度检测‌将视线方向在切线空间分解为多层(通常8-15层),逐层采样高度图,通过二分法逼*视线与表面的交点。
  • 动态采样优化‌根据视角与法线的夹角动态调整采样层数(**行视角增加层数,垂直视角减少层数),*衡精度与性能。
  • 遮挡关系重建‌通过交点处的UV偏移修正纹理采样位置,模拟凹凸表面的光线遮挡效果。

Unity URP 实现示例与原理详解

代码关键点解析

  • 动态采样层数

    • 通过lerp(_MaxSamples, _MinSamples, saturate(dot(float3(0,0,1), viewDirTS)))实现视角自适应分层,优化性能。
  • 光线步进循环

    • 循环比较当前层高度与采样深度,找到首个交点区间,避免全精度遍历。
  • 二分法优化

    • 在初步交点区间内使用lerp插值计算精确UV,减少采样次数。
  • ParallaxOcclusionMapping.shader

    Shader "Universal Render Pipeline/POM" {     Properties     {         _MainTex("Albedo", 2D) = "white" {}         _NormalMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}         _HeightMap("Height Map", 2D) = "white" {}         _ParallaxScale("Height Scale", Range(0, 0.1)) = 0.05         _MinSamples("Min Samples", Int) = 8         _MaxSamples("Max Samples", Int) = 15     }      SubShader     {         Tags { "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }          HLSLINCLUDE         #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"          TEXTURE2D(_MainTex);    SAMPLER(sampler_MainTex);         TEXTURE2D(_NormalMap);  SAMPLER(sampler_NormalMap);         TEXTURE2D(_HeightMap);  SAMPLER(sampler_HeightMap);         float _ParallaxScale;         int _MinSamples, _MaxSamples;          float2 ParallaxOcclusionMapping(float3 viewDirTS, float2 uv)         {             // 动态计算采样层数             int numSamples = (int)lerp(_MaxSamples, _MinSamples, saturate(dot(float3(0,0,1), viewDirTS)));             float layerHeight = 1.0 / numSamples;             float2 deltaUV = _ParallaxScale * viewDirTS.xy / viewDirTS.z / numSamples;              // 光线步进初始化             float currentLayerHeight = 0;             float2 currentUV = uv;             float currentDepth = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(_HeightMap, sampler_HeightMap, currentUV).r;              // 分层检测             [loop]             for (int i = 0; i < 15; ++i) {                 if (currentLayerHeight >= currentDepth) break;                 currentUV -= deltaUV;                 currentDepth = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(_HeightMap, sampler_HeightMap, currentUV).r;                 currentLayerHeight += layerHeight;             }              // 二分法精确交点             float2 prevUV = currentUV + deltaUV;             float prevDepth = currentDepth - layerHeight;             float weight = (currentLayerHeight - currentDepth) / (prevDepth - currentDepth);             return lerp(currentUV, prevUV, weight);         }         ENDHLSL          Pass         {             HLSLPROGRAM             #pragma vertex vert             #pragma fragment frag              struct Attributes             {                 float4 positionOS : POSITION;                 float2 uv : TEXCOORD0;                 float3 normalOS : NORMAL;                 float4 tangentOS : TANGENT;             };              struct Varyings             {                 float4 positionCS : SV_POSITION;                 float2 uv : TEXCOORD0;                 float3 viewDirTS : TEXCOORD1;             };              Varyings vert(Attributes IN)             {                 Varyings OUT;                 VertexPositionInputs posInput = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);                 OUT.positionCS = posInput.positionCS;                  // 转换视角方向到切线空间                 VertexNormalInputs normInput = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);                 float3 viewDirWS = GetWorldSpaceViewDir(posInput.positionWS);                 OUT.viewDirTS = TransformWorldToTangent(viewDirWS,                      normInput.tangentWS, normInput.bitangentWS, normInput.normalWS);                  OUT.uv = IN.uv;                 return OUT;             }              half4 frag(Varyings IN) : SV_Target             {                 // 计算POM偏移后的UV                 float2 pomUV = ParallaxOcclusionMapping(normalize(IN.viewDirTS), IN.uv);                  // 采样最终纹理                 half4 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, pomUV);                 half3 normalTS = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalMap, sampler_NormalMap, pomUV));                  return half4(albedo.rgb, 1);             }             ENDHLSL         }     } } 

技术对比与性能建议

特性 标准视差贴图 陡峭视差贴图 POM
采样次数 单次 5-15次 8-15次+二分法
陡峭表面精度
适用*台 移动端 PC/主机 高端PC
推荐参数 Scale=0.02 Scale=0.05 Scale=0.03-0.07

实际应用中需注意:

  • 高度图建议使用法线贴图的Alpha通道节省资源
  • 过高的_ParallaxScale可能导致边缘拉伸,建议不超过0.1
  • 移动端可减少_MaxSamples至8层以降低开销

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