【URP】Unity[视差贴图]原理剖析实践

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Unity URP 视差贴图介绍与分类

视差贴图（Parallax Mapping）是一种通过动态偏移纹理坐标来模拟表面凹凸效果的渲染技术，主要用于增强低多边形模型的细节表现。在Unity URP（Universal Render Pipeline）中，它通过高度图（Height Map）和视角方向计算UV偏移，实现更真实的深度感，而无需增加模型顶点数量‌。

‌视差贴图的核心分类‌

‌标准视差贴图（Parallax Mapping）

• ‌原理‌：基于单次高度采样计算UV偏移，性能消耗低但效果有限，适合移动端或性能敏感场景‌。
• ‌实现‌：通过高度图的灰度值（黑色为低点，白色为高点）和视角方向，在切线空间内偏移UV坐标，模拟遮挡效果‌。
• ‌示例‌：URP中通过ParallaxOffset1Step函数实现单步偏移计算‌。

  • ‌关键参数‌

    • _HeightMap：存储高度信息的纹理（R通道）
    • _Parallax：控制凹凸强度的缩放系数（建议0.02-0.05）

  • ‌切线空间转换‌

    • 使用URP内置函数GetVertexNormalInputs构建TBN矩阵，将视角方向转换到切线空间

  • ‌性能优化‌

    • 单步偏移计算（ParallaxOffset）相比多步光线步进（如POM）性能更高，适合移动端

  • ParallaxLit.shader

    Shader "Universal Render Pipeline/ParallaxLit"
    {
        Properties
        {
            _MainTex("Albedo", 2D) = "white" {}
            _NormalMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}
            _HeightMap("Height Map", 2D) = "white" {}
            _Parallax("Height Scale", Range(0, 0.1)) = 0.02
        }
    
        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 _Parallax;
    
            float2 ParallaxOffset(float3 viewDirTS, float height)
            {
                height = height * _Parallax - _Parallax * 0.5;
                return height * (viewDirTS.xy / (viewDirTS.z + 0.42));
            }
            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;
    
                    // 计算切线空间视角方向
                    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
                {
                    // 采样高度图并计算UV偏移
                    float height = SAMPLE_TEXTURE2D(_HeightMap, sampler_HeightMap, IN.uv).r;
                    float2 offset = ParallaxOffset(normalize(IN.viewDirTS), height);
    
                    // 应用偏移后采样纹理
                    float2 parallaxUV = IN.uv + offset;
                    half4 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, parallaxUV);
                    half3 normalTS = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalMap, sampler_NormalMap, parallaxUV));
    
                    return half4(albedo.rgb, 1);
                }
                ENDHLSL
            }
        }
    }
    

‌陡峭视差贴图（Steep Parallax Mapping）

• ‌特点‌：针对陡峭地形优化，通过多次采样（如二分法）减少失真，适合高落差表面（如岩石、冰缝）‌。
• ‌实现‌：在URP中结合光线步进（Raymarching）算法，逐层检测高度图以确定最终UV偏移‌。

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

• ‌优势‌：在标准视差基础上增加遮挡计算，通过多次采样模拟更精确的深度感，但性能开销较高‌。
• ‌应用‌：常用于风格化材质（如风化岩石、冰面裂缝），需配合高度图和法线贴图使用‌。

‌技术实现细节‌

核心原理

• ‌高度图采样‌
  • 使用灰度图（通常存储在法线贴图的Alpha通道）表示表面深度，黑色（0）为最低点，白色（1）为最高点。
• ‌切线空间转换‌
  • 将视角方向从世界空间转换到切线空间（通过TBN矩阵），确保偏移方向与模型表面法线对齐。
• ‌UV偏移计算
  • 根据高度值和视角方向动态调整UV坐标，核心公式为‌ $offset=\frac{height \cdot viewDir_{xy}}{viewDir_z}$
  • 其中viewDir需归一化，且需避免除零（通常添加小偏移量如viewDir.z + 0.42）

‌URP中的Shader实现‌

• 核心函数：ParallaxOffset1Step（单步偏移）或自定义光线步进算法‌。

• 示例代码（HLSL）：

  hlsl
  float2 ParallaxOffset(half3 viewDirTS, half height, half scale) {
      return height * (viewDirTS.xy / viewDirTS.z) * scale;
  }
  

‌性能优化‌

• 使用_Parallax参数控制强度，避免过度偏移导致穿帮‌。
• 移动端建议采用标准视差贴图，PC端可尝试POM‌。

‌与其他贴图技术的对比‌

技术	原理差异	性能开销	适用场景	优势	局限性
法线贴图	仅改变光照计算	低	通用细节增强	性能最优	平视视角易穿帮
视差贴图	动态UV偏移模拟深度	中	风格化材质、地形	真实遮挡效果	陡峭边缘可能失真
置换贴图	实际修改顶点位置	高	高精度模型（如地形）	几何级精度	需要曲面细分支持

‌总结‌

视差贴图在URP中通过动态UV偏移和高度图采样，有效平衡了性能与视觉效果。根据需求选择标准、陡峭或POM变种，可适配不同场景的细节要求‌

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【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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