【URP】Unity[视差遮挡贴图]原理剖析实践

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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。

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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
          }
      }
  }

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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‌	低	中	高
‌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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