Unity Shader 深度重建世界坐标

只用一张深度图就能还原每个像素对应的世界空间位置：用 NDC 坐标 + 逆 VP 矩阵反算。这是 SSAO、SSR、体积雾等所有屏幕空间效果的底层基础。

一、核心原理

当我们渲染一个 3D 场景时，GPU 会将顶点从世界空间 变换到屏幕空间 ，这个过程涉及 View 矩阵和 Projection 矩阵。深度重建的本质就是反向这个过程。

Pworld = (VP)-1 × Pndc

世界坐标 = 逆 View-Projection 矩阵 × 标准化设备坐标

为什么不用线性深度？ 透视投影的非线性深度分布使得直接反算不可行。NDC 深度值 $0,1$ 对应的是经过透视除法的齐次坐标，只有逆 VP 矩阵才能正确还原原始的 3D 位置。

二、完整实现代码

下面是一个完整的 Shader 实现，使用 URP 的内置函数和属性来重建世界坐标。

cs 复制代码

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class DepthReconstructionFeature : ScriptableRendererFeature
    DepthReconstructionPass m_ScriptablePass;
    public override void Create()
    {
        m_ScriptablePass = new DepthReconstructionPass();
        m_ScriptablePass.renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingOpaques;
    }
    public override void AddRenderPasses(ScriptableRenderer renderer,
        ref RenderingData renderingData)
    {
        m_ScriptablePass.Setup(renderer.cameraDepthTexture);
        renderer.EnqueuePass(m_ScriptablePass);
    }
}

cs 复制代码

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class DepthReconstructionFeature : ScriptableRendererFeature
    DepthReconstructionPass m_ScriptablePass;
    public override void Create()
    {
        m_ScriptablePass = new DepthReconstructionPass();
        m_ScriptablePass.renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingOpaques;
    }
    public override void AddRenderPasses(ScriptableRenderer renderer,
        ref RenderingData renderingData)
    {
        m_ScriptablePass.Setup(renderer.cameraDepthTexture);
        renderer.EnqueuePass(m_ScriptablePass);
    }
}
DepthReconstructionPass.cs
using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class DepthReconstructionPass : ScriptableRenderPass
    private Shader m_Shader;
    private Material m_Material;
    private RTHandle m_DepthTexture;
    public void Setup(RTHandle depthTexture)
    {
        m_DepthTexture = depthTexture;
        m_Shader = Shader.Find("Hidden/DepthReconstruction");
    }
    public override void Execute(ScriptableRenderContext context,
        ref RenderingData renderingData)
    {
        if (m_Shader == null) return;
        
        if (m_Material == null)
            m_Material = new Material(m_Shader);
        ref CameraData cameraData = ref renderingData.cameraData;
        Matrix4x4 invVP = cameraData.camera.projectionMatrix
                         * cameraData.camera.worldToCameraMatrix;
        invVP = invVP.inverse;
        
        m_Material.SetMatrix("_InvVP矩阵", invVP);
        m_Material.SetTexture("_CameraDepthTexture", m_DepthTexture);
        
        // 在此处绘制全屏Quad进行深度重建
    }
}

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Shader "Hidden/DepthReconstruction"
    Properties
    {
        _MainTex ("Screen Texture", 2D) = "white" {}
    }
    CGINCLUDE
    #include "UnityCG.cginc"
    
    // ============================================
    // 核心方法：从深度图重建世界坐标
    // ============================================
    float3 ReconstructWorldPosition(float2 uv, float rawDepth)
    {
        // 步骤1：构建 NDC 坐标
        // 将屏幕UV转换为NDC空间 [-1, 1]
        float2 ndc = uv * 2.0 - 1.0;
        
        // 步骤2：构造齐次坐标
        // NDC_z 已经经过透视除法，需要恢复为 clip space
        float4 clipPos = float4(ndc.x, ndc.y, rawDepth * 2.0 - 1.0, 1.0);
        
        // 步骤3：逆变换到世界空间
        // 乘以逆 VP 矩阵
        float4 worldPos = mul(_InvVP, clipPos);
        
        // 步骤4：透视除法
        // w 分量保存原始深度信息，除以它得到真实坐标
        worldPos /= worldPos.w;
        
        return worldPos.xyz;
    }
    ENDCG

三、矩阵变换详解

理解 VP 矩阵及其逆矩阵是掌握深度重建的关键。下面的流程图展示了完整的变换链路：

世界矩阵 (M)

模型自身变换

视图矩阵 (V)

相机坐标系变换

投影矩阵 (P)

透视/正交投影

**性能提示：**逆 VP 矩阵可以在 C# 端预计算并传递给 Shader，避免在 GPU 上进行昂贵的矩阵求逆运算。

矩阵	作用	输入空间	输出空间
View (V)	将世界坐标转换到相机视角	World Space	View Space
Projection (P)	将视图坐标投影到裁剪空间	View Space	Clip Space
VP	组合变换，一步到位	World Space	Clip Space
(VP)⁻¹	逆向重建世界坐标	NDC Space	World Space

四、应用场景

深度重建是众多屏幕空间技术的基石。掌握这项技术后，你可以实现以下效果：

SSAO

Screen Space Ambient Occlusion

屏幕空间环境光遮蔽

SSR

Screen Space Reflections

屏幕空间反射

体积雾

Volumetric Fog

基于深度的雾效计算

SSAO 实现要点

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性能提示：逆 VP 矩阵可以在 C# 端预计算并传递给 Shader，避免在 GPU 上进行昂贵的矩阵求逆运算。

矩阵	作用	输入空间	输出空间
View (V)	将世界坐标转换到相机视角	World Space	View Space
Projection (P)	将视图坐标投影到裁剪空间	View Space	Clip Space
VP	组合变换，一步到位	World Space	Clip Space
(VP)⁻¹	逆向重建世界坐标	NDC Space	World Space
四、应用场景
深度重建是众多屏幕空间技术的基石。掌握这项技术后，你可以实现以下效果：

SSAO
Screen Space Ambient Occlusion
屏幕空间环境光遮蔽

SSR
Screen Space Reflections
屏幕空间反射

体积雾
Volumetric Fog
基于深度的雾效计算

SSAO 实现要点
SSAO.frag (片段着色器)
// 采样周围多个点进行深度比较
float CalculateAO(float2 uv, float3 normal)
{
    float ao = 0.0;
    
    // 获取当前像素的世界坐标
    float depth = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture, uv);
    float3 currentPos = ReconstructWorldPosition(uv, depth);
    
    // 在半球方向采样多个点
    for (int i = 0; i < 16; i++)
    {
        float3 sampleDir = GetHemisphereSample(i, normal);
        float3 samplePos = currentPos + sampleDir * radius;
        
        // 将采样点投影回屏幕空间
        float2 sampleUV = ProjectToScreen(samplePos);
        float sampleDepth = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture, sampleUV);
        
        // 深度差异决定遮蔽程度
        float rangeCheck = smoothstep(0.0, 1.0, radius / abs(currentPos.z - samplePos.z));
        ao += (samplePos.z < currentPos.z ? 1.0 : 0.0) * rangeCheck;
    }
    
    return 1.0 - (ao / 16.0);
}

五、关键要点总结

NDC 坐标转换

uv * 2.0 - 1.0 是将 $0,1$ 范围映射到 $-1,1$ 的标准操作

透视除法不可省略

w 分量保存了原始深度信息，必须除以 w 才能得到正确的世界坐标

逆矩阵计算时机

建议在 C# 端计算逆矩阵并通过 SetMatrix 传递，避免 GPU 端的矩阵求逆开销

深度纹理格式

确保在 URP Asset 中开启 Depth Texture，否则 m_DepthTexture 将为 null

SRP Batcher 兼容性

使用常量缓冲区传递矩阵时，需确保格式兼容以获得最佳性能

六、URP 配置要点

要在 URP 中使用深度重建功能，需要正确配置渲染管线资产：

打开 URP Asset

选中你的 URP Renderer Asset

启用 Depth Texture

勾选 "Depth Texture" 选项

代码中启用深度纹理（备选方案）：

cs 复制代码

// 在你的 Renderer 的 BeginCameraRendering 中
var cameraData = renderingData.cameraData;
if (cameraData.cameraType == CameraType.Game)
{
    cameraData.camera.depthTextureMode |= DepthTextureMode.Depth;
}