[Unity Shader]深度值
1. 什么是深度
深度指视图空间中，顶点/片元坐标的z分量，该分量代表到相机（视图空间原点）的距离z。距离z是线性距离（Unity使用的是OpenGL，相机的观察方向是负z轴，有时会使用 -viewZ 表示到相机的正距离）。View.z经过投影矩阵映射到裁剪空间为Clip.z，范围是[-w，w]。裁剪空间的深度值经过透视除法映射到NDC空间中（Clip.z / Clip.w = NDC.z），范围是[0，1]（DirectX NDC.z范围是[0，1]，OpenGL NDC.z范围是[-1，1]）。NDC.z会由GPU写入深度缓冲，并储存在深度纹理中，通过采样深度纹理获取的深度值就是NDC空间的深度值。深度缓冲记录“当前通过深度测试的最接近相机的像素深度”，用于决定哪些片元在前、哪些在后，从而实现隐藏面消除。对于透视投影，深度缓冲值是非线性的将ViewZ映射到[0，1]的范围（靠近平面分辨率高，远处被压缩）；对于正交投影，映射通常是线性的。
2.深度纹理
深度值被映射到[0，1]的范围内，顶点/片元在近裁剪面上时，深度缓冲值为0；在远裁剪面上时，深度缓冲值1。将顶点/片元的深度值映射为颜色值，储存在一张纹理的像素中，就是深度纹理图。如图，越靠近0（near）的顶点/片元，深度缓冲值越接近0，映射到深度纹理中的像素颜色越接近黑色；越靠近1（far）的顶点/片元，深度缓冲值越接近1，映射到深度纹理中的像素颜色越接近白色。
3. Shader中的深度值
3.1 View.z
ViewZ是顶点/片元在视图空间坐标的z分量，表示顶点/片元到相机的真实距离，范围是near ~ far的线性深度值。它是正向的真实距离（单位 = 世界单位），与物体大小无关，与相机位置严格对应，用于屏幕空间效果时最理想，但通常无法直接在片元阶段获得（因为贴花/SSAO是后处理）
view.z = - positionVS.z3.2 SV_POSITION.z
在vertex中，通过矩阵可以获取裁剪空间的坐标，变量positionHCS被语义SV_POSITION标识，该语义会告知GPU该变量是屏幕空间/光栅化阶段使用的坐标，GPU会固定执行光栅化、透视除法、屏幕映射保存为光栅化后的片元位置，因此在frag中获取的深度值positionHCS.z是已经执行了透视除法，等同于NDC.z
struct a2v { float4 positionOS : POSITION; }; struct v2f { float4 positionHCS: SV_POSITION; }; v2f vert (a2v v) { v2f o = (v2f)0; o.positionHCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS); //裁剪空间坐标 return o; } half4 frag(v2f i): SV_Target { return float4(i.positionHCS.z, o.positionHCS.z, o.positionHCS.z, 1.0); }3.3 rawDepth/deviceDepth
rawDepth是深度纹理中储存的原始深度值，该深度值是由GPU写入到深度缓冲中的NDC空间的深度值，是由裁剪空间深度值执行透视除法后获取的，范围0 ~ 1（near = 0，far = 1）的非线性深度值，靠近0时精度高，靠近1时精度低。可以通过采样深度纹理获取，也可以通过对裁剪空间深度值执行透视除法获取（Clip.z / Clip.w）
//直接采样深度纹理获取 half4 frag(v2f i): SV_Target { float4 rawDepth = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, ScreenUV.xy).r; return float4(rawDepth, rawDepth, rawDepth, 1.0); } //通过Clip.z / Clip.w 或取NDC.z half4 frag(v2f i): SV_Target { float4 ndcPos; ndcPos.z = i.screenPos.z / i.screenPos.w; return float4(ndcPos.z, ndcPos.z, ndcPos.z, 1.0); }3.4 Linear01Depth
Linear01Depth是将rawDepth转为0 ~ 1（near = 0，far = 1）的线性深度值，通常用于深度渐变效果、淡入淡出、雾效等后处理效果
float linear01Depth = Linear01Depth(rawDepth, _ZBufferParams);3.5 LinearEyeDepth
LinearEyeDepth是通过rawDepth反推真实的视图空间深度（单位 = 世界单位），范围是near ~ far的线性深度，等价于viewZ（同单位），是后处理重建世界坐标/贴花/SSAO的标准深度，可以用于几何对比。
LinearEyeDepth是通过rawDepth反推真实的视图空间深度（单位 = 世界单位），范围是near ~ far的线性深度，等价于viewZ（同单位），是后处理重建世界坐标/贴花/SSAO的标准深度，可以用于几何对比。4. 在Shader中采样深度纹理
在Shader中，需要使用TEXTURE2D_X宏声明深度纹理，然后使用宏SAMPLE_TEXTURE2D_X采样深度纹理。直接采样深度纹理获取的是NDC空间中的非线性深度，范围在[0，1]之间，LinearEyeDepth()函数可以转换为线性的真实深度值；Linear01Depth()函数可以转换为线性深度值。
4.1 场景材质Shader
Shader "PostProcess/FullSceneDepth" { SubShader { Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue"="Overlay" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" } ZWrite Off ZTest Always Cull Off Blend Off HLSLINCLUDE #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/Runtime/Utilities/Blit.hlsl" ENDHLSL Pass { Name "FullSceneDepthPass1" HLSLPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag SAMPLER(sampler_BlitTexture); //声明深度纹理 CBUFFER_START(UnityPerMaterial) TEXTURE2D_X(_CameraDepthTexture); SAMPLER(sampler_CameraDepthTexture); CBUFFER_END struct a2v { uint vertexID:SV_VertexID; float4 positionOS : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float4 positionSV: SV_POSITION; float4 screenPos: TEXCOORD1; float2 uv : TEXCOORD0; }; v2f vert(a2v v) { v2f o = (v2f) 0; o.positionSV = TransformObjectToHClip(v.positionOS); o.screenPos = ComputeScreenPos(o.positionSV); return o; } float4 frag(v2f i): SV_Target { //执行透视除法 float4 ScreenUV = i.screenPos/ i.screenPos.w; //采样深度纹理，获取深度值 float4 rawDepth = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, ScreenUV.xy).r; //线性化深度值 float linear01Depth = Linear01Depth(rawDepth, _ZBufferParams); return float4(Depth, Depth, Depth, 1.0); } ENDHLSL }4.2 后处理Shader
Shader "PostProcess/FullSceneDepth" { SubShader { Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue"="Overlay" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" } ZWrite Off ZTest Always Cull Off Blend Off HLSLINCLUDE #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/Runtime/Utilities/Blit.hlsl" ENDHLSL Pass { Name "FullSceneDepthPass" HLSLPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag struct a2v { uint vertexID : SV_VertexID; }; struct v2f { float4 positionCS: SV_POSITION; float2 screenPos : TEXCOORD0; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; float2 ScreenPos = float2((v.vertexID << 1) & 2, v.vertexID & 2); o.positionCS = float4(ScreenPos * 2.0 - 1.0, 0, 1); o.screenPos = ComputeScreenPos(o.positionCS); return o; } CBUFFER_START(UnityPerMaterial) SAMPLER(sampler_BlitTexture); TEXTURE2D_X(_CameraDepthTexture); SAMPLER(sampler_CameraDepthTexture); CBUFFER_END half4 frag(v2f i) : SV_Target { //深度采样 float RawDepth = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, i.screenPos).r; half3 SceneColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_BlitTexture, sampler_BlitTexture, float2(i.screenPos.x, 1 - i.screenPos.y)).rgb; float linear01Depth = Linear01Depth(RawDepth, _ZBufferParams); return half4(linearDepth.xxx, 1); } ENDHLSL } } }