Unity Shader 深入理解 LinearEyeDepth 与 DepthTexture

从透视投影的数学本质出发，拆解深度缓冲区的非线性编码原理，掌握 LinearEyeDepth 的完整变换链路与实战技巧。

一、Camera DepthTexture：它是什么

在 Unity 中，启用 DepthTextureMode.Depth 后，渲染管线会在不透明物体绘制完毕后、透明物体绘制之前，额外生成一张全屏的深度纹理------这就是 _CameraDepthTexture。它本质上是将当前帧的深度缓冲区（Depth Buffer）内容拷贝到一张可被 Shader 采样的纹理中。

💡 关键要点

半透明物体的 Shader 可以直接采样 _CameraDepthTexture ------这是水面、玻璃等效果的基础。URP 中不透明物体队列为 RenderQueue ≤ 2500，因此任何在 Transparent 队列（3000）渲染的材质都能读到底层场景的深度。

二、为什么深度是非线性的

GPU 写入深度缓冲区的值并不是世界空间中的真实距离 ，而是经过透视投影矩阵变换后的非线性值。理解这一点，是掌握 LinearEyeDepth 的前提。

2.1 透视投影的本质

透视投影将视锥体（Frustum）映射到 NDC 立方体 [-1, 1]3。在这个变换中，z 分量经历了非线性压缩：近平面附近的深度精度极高，远平面附近的精度则急剧下降。

2.2 深度缓冲区中的值

采样 _CameraDepthTexture 得到的是一个 0 到 1 的浮点数，它遵循以下公式（OpenGL / Unity 约定）：

Depthbuffer = ( far · (z − near) ) / ( z · (far − near) )

其中 z 是观察空间中的深度（相机前方的实际距离），near 和 far 是裁剪面距离。这个曲线在近平面附近陡峭，在远平面附近平坦------这就是 z-fighting 更常出现在远处的根本原因。

三、LinearEyeDepth：从非线性到线性

3.1 它做了什么

LinearEyeDepth 是 URP 中 Common.hlsl 提供的核心函数，它将采样到的非线性深度值还原为观察空间中的线性距离。这意味着转换后的值可以直接用于计算世界空间位置、做距离比较、驱动雾效等。

// URP / Core RP Library 中的实现
float LinearEyeDepth(float rawDepth, float4 zBufferParam)
{
    return 1.0 / (zBufferParam.x * rawDepth + zBufferParam.y);
}

其中 zBufferParam 由引擎在每帧计算：

zBufferParam.x = (far − near) / far

zBufferParam.y = near / far

3.2 数学推导

将原始非线性公式取倒数即可还原：

原始： rawDepth = far · (z − near) / (z · (far − near))

取倒数： 1 / rawDepth = z · (far − near) / (far · (z − near))

整理后得到： z = 1 / ( ((far−near)/far) · rawDepth + near/far )

这就是 LinearEyeDepth 的完整数学本质------一个有理函数的倒数。

📐 与 Linear01Depth 的区别

Linear01Depth(rawDepth, zBufferParam) 返回的是 0, 1 归一化深度（0 = near, 1 = far），适合做深度比较。

LinearEyeDepth(rawDepth, zBufferParam) 返回的是 观察空间的实际距离（米），适合做世界空间重建或距离相关的计算。

四、如何正确采样深度纹理

4.1 声明纹理与采样器

// URP 中推荐使用宏声明（自动处理平台兼容性）
TEXTURE2D_FLOAT(_CameraDepthTexture);
SAMPLER(sampler_CameraDepthTexture);

4.2 在 Shader 中采样与转换

// 1. 计算屏幕空间 UV
float4 screenPos = ComputeScreenPos(positionCS);
float2 screenUV = screenPos.xy / screenPos.w;       // 透视除法

// 2. 采样深度纹理（R 通道即为深度值）
float rawDepth = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, screenUV);

// 3. 转换为观察空间线性深度
float eyeDepth = LinearEyeDepth(rawDepth, _ZBufferParams);

// 4. （可选）转换为 01 深度
float linear01 = Linear01Depth(rawDepth, _ZBufferParams);

4.3 关键注意事项

⚠️ 常见陷阱

• 记得透视除法： ComputeScreenPos 返回的是齐次坐标，必须除以 .w 才是正确的 UV。
• Vulkan / Metal 平台： 这些 API 下深度值已经在线性空间中（如果启用了 Reverse-Z），_ZBufferParams 会自动适配。
• Scene Depth vs Camera Depth： _CameraDepthTexture 不包含透明物体；若需包含透明物体深度，使用 _CameraDepthAttachment（URP 14+）。
• **深度纹理精度：**大部分移动平台为 16位或24位深度格式，远处精度有限，避免在远平面附近做高精度深度比较。

五、实战场景分析

5.1 场景一：水面边缘的软过渡（深度差）

水面 Shader 的经典写法：比较水面像素深度与场景深度，在物体与水面交界处产生泡沫或边缘效果。

float sceneEyeDepth = LinearEyeDepth(
    SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, screenUV),
    _ZBufferParams
);

float waterEyeDepth = screenPos.w;  // 水面像素在观察空间的深度

float depthDiff = sceneEyeDepth - waterEyeDepth;

// 深度差越小 = 物体越靠近水面 = 泡沫强度越高
float foamFactor = saturate(1.0 - depthDiff / _FoamDistance);

5.2 场景二：从深度重建世界空间坐标

结合 LinearEyeDepth 与 NDC 坐标，可以精确重建每个像素的世界位置------这是屏幕空间效果（SSR、SSAO、贴花）的核心技术。

float3 ReconstructWorldPos(float2 screenUV, float rawDepth)
{
    // 1. 得到观察空间线性深度
    float eyeDepth = LinearEyeDepth(rawDepth, _ZBufferParams);

    // 2. 构建 NDC 坐标（xy 映射到 [-1,1]）
    float3 ndcPos = float3(screenUV * 2.0 - 1.0, 1.0);

    // 3. NDC → 观察空间（乘以深度）
    float3 viewPos = mul(unity_CameraInvProjection, float4(ndcPos, 1.0)).xyz * eyeDepth;

    // 4. 观察空间 → 世界空间
    float3 worldPos = mul(unity_CameraToWorld, float4(viewPos, 1.0)).xyz;

    return worldPos;
}

🔧 ASE 节点映射

如果你使用 Amplify Shader Editor，以上操作可以通过以下节点实现：

Depth Texture → Eye Depth 节点（自动调用 LinearEyeDepth）→ 配合 Screen Position 和 Inverse View Projection Matrix 重建世界坐标。

5.3 场景三：水下角色渲染修正

这是一个经典的深度排序问题：当角色半身浸入水中时，水面 Shader 需要区分"水面到场景"和"水面到角色"的深度差，避免在不正确的深度层产生扭曲。

关键修正逻辑------在深度比较时取 min，确保角色后方物体不会干扰水面的折射计算：

// 采样场景不透明深度
float rawSceneDepth = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, screenUV);
float sceneEyeDepth = LinearEyeDepth(rawSceneDepth, _ZBufferParams);

// 水面像素自身的观察空间深度
float waterEyeDepth = screenPos.w;

// 关键修正：取水面和场景深度中的较近者
// 避免角色背后的冰块等物体产生错误扭曲
float effectiveSceneDepth = min(sceneEyeDepth, waterEyeDepth);

// 正确的水面-场景深度差
float correctedDiff = effectiveSceneDepth - waterEyeDepth;

// 若差值很小或为负 → 有物体在水面附近或上方 → 减少扭曲
float distortionMask = saturate(correctedDiff / _MaxDistortionDepth);

六、函数速查表

函数 / 宏	输入	输出	用途
SAMPLE_DEPTH_TEXTURE	纹理 + UV	raw depth 0,1	从 _CameraDepthTexture 采样
LinearEyeDepth	rawDepth + _ZBufferParams	观察空间距离（米）	世界坐标重建、真实距离计算
Linear01Depth	rawDepth + _ZBufferParams	0,1 线性深度	深度比较、软粒子、雾效
ComputeScreenPos	positionCS	齐次屏幕坐标	计算采样 UV（需除 .w）
_ZBufferParams	---	float4 (x,y,z,w)	URP 自动传入的深度反算参数

七、小结

LinearEyeDepth 的代码虽然只有一行，但它背后承载的是透视投影的完整数学链路：

1. 深度缓冲区存储的是非线性值------近处精度高、远处精度低，这是透视投影矩阵的必然结果。
2. LinearEyeDepth 用一个有理函数的倒数将非线性深度还原为观察空间线性距离。
3. _ZBufferParams 由引擎根据 near/far 自动计算，适配不同图形 API（OpenGL / D3D / Vulkan / Metal）的深度范围约定。
4. 实战中最常见的错误------忘记透视除法、没处理 Reverse-Z 平台差异、角色背后物体干扰深度比较------都可以通过理解上述原理来避免。

📚 延伸阅读

如果你想进一步深入，推荐阅读 URP 源码中的 Common.hlsl、DepthOnlyPass.hlsl，以及 Unity 官方的 Frame Debugger 来验证每个 Pass 的深度写入行为。配合 ASE 的 Eye Depth 节点，你可以不写一行代码就完成大部分深度相关效果。