Unity URP Shader 实现几种视差映射
代码
陡峭视差映射 Steep Parallax Mapping
float2 SteepParallaxMapping(TEXTURE2D_PARAM(heightMap, sampler_heightMap), half3 viewDirTS, half scale, float2 uv)
{
//determine number of layers from angle between V and N
const float minLayers = 5;
const float maxLayers = 15;
float numLayers = lerp(minLayers, maxLayers, abs(dot(half3(0, 0, 1), viewDirTS)));
//height of each layer
float layerHeight = 1.0 / numLayers;
//depth of current layer
float currentLayerHeight = 0;
//shift of texture coordinates for each iteration
half2 dtex = scale * viewDirTS.xy / viewDirTS.z / numLayers;
//current texture coordinates
float2 currentTextureCoords = uv;
//get first depth from heightmap
float heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
for(int i = 0; i < 15; i++)
{
if(heightFromTexture <= currentLayerHeight)
break;
//to the next layer
currentLayerHeight += layerHeight;
//shift texture coordinates along vector viewDirTS
currentTextureCoords -= dtex;
//get new depth from heightmap
heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
}
return currentTextureCoords - uv;
}
浮雕视差映射 Relief Parallax Mapping
float2 ReliefParallaxMapping(TEXTURE2D_PARAM(heightMap, sampler_heightMap), half3 viewDirTS, half scale, float2 uv)
{
// determine required number of layers
const float minLayers = 10;
const float maxLayers = 15;
float numLayers = lerp(minLayers, maxLayers, abs(dot(half3(0, 0, 1), viewDirTS)));
// height of each layer
float layerHeight = 1.0 / numLayers;
// depth of current layer
float currentLayerHeight = 0;
// shift of texture coordinates for each iteration
half2 dtex = scale * viewDirTS.xy / viewDirTS.z / numLayers;
// current texture coordinates
float2 currentTextureCoords = uv;
// depth from heightmap
float heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
for(int i = 0; i < 15; i++)
{
if(heightFromTexture <= currentLayerHeight)
break;
// to the next layer
currentLayerHeight += layerHeight;
// shift texture coordinates along vector viewDirTS
currentTextureCoords -= dtex;
// get new depth from heightmap
heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
}
///////////////////////////////////////////////////////////
// Start of Relief Parallax Mapping
// decrease shift and height of layer by half
half2 deltaTexCoord = dtex / 2;
float deltaHeight = layerHeight / 2;
// return to the mid point of previous layer
currentTextureCoords += deltaTexCoord;
currentLayerHeight -= deltaHeight;
// binary search to increase precision of Steep Paralax Mapping
const int numSearches = 5;
for(int j = 0; j < numSearches; j++)
{
// decrease shift and height of layer by half
deltaTexCoord /= 2;
deltaHeight /= 2;
// new depth from heightmap
heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
// shift along or agains vector V
if(heightFromTexture > currentLayerHeight) // below the surface
{
currentTextureCoords -= deltaTexCoord;
currentLayerHeight += deltaHeight;
}
else // above the surface
{
currentTextureCoords += deltaTexCoord;
currentLayerHeight -= deltaHeight;
}
}
// return results
//parallaxHeight = currentLayerHeight;
return currentTextureCoords - uv;
}
视差遮蔽映射 Parallax Occlusion Mapping
float2 ParallaxOcclusionMapping(TEXTURE2D_PARAM(heightMap, sampler_heightMap), half3 viewDirTS, half scale, float2 uv)
{
// determine optimal number of layers
const float minLayers = 10;
const float maxLayers = 15;
float numLayers = lerp(minLayers, maxLayers, abs(dot(half3(0, 0, 1), viewDirTS)));
// height of each layer
float layerHeight = 1.0 / numLayers;
// current depth of the layer
float currentLayerHeight = 0;
// shift of texture coordinates for each layer
half2 dtex = scale * viewDirTS.xy / viewDirTS.z / numLayers;
// current texture coordinates
float2 currentTextureCoords = uv;
// depth from heightmap
float heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
for(int i = 0; i < 15; i++)
{
if(heightFromTexture <= currentLayerHeight)
break;
// to the next layer
currentLayerHeight += layerHeight;
// shift texture coordinates along vector viewDirTS
currentTextureCoords -= dtex;
// get new depth from heightmap
heightFromTexture = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g;
}
/////////////////////////////////////////////////////////
// previous texture coordinates
half2 prevTCoords = currentTextureCoords + dtex;
// heights for linear interpolation
float nextH = heightFromTexture - currentLayerHeight;
float prevH = 1 - SAMPLE_TEXTURE2D(heightMap, sampler_heightMap, currentTextureCoords).g
- currentLayerHeight + layerHeight;
// proportions for linear interpolation
float weight = nextH / (nextH - prevH);
// interpolation of texture coordinates
float2 finalTexCoords = prevTCoords * weight + currentTextureCoords * (1.0-weight);
return finalTexCoords - uv;
//return currentTextureCoords - uv;
}
优缺点总结
陡峭视差映射 Steep Parallax Mapping
如果层数很多，那性能就会低。但如果层数少，就会有明显的锯齿现象产生，可以根据摄像机向量V和多边形法向N之间的夹角来动态的决定层的数量。
浮雕视差映射 Relief Parallax Mapping
可以使用较少的层数进行一阶段陡峭视差检索
二阶段的二分查找算法仍然消耗性能，但相较陡峭视差映射可以得到更精确的结果
视差遮蔽映射 Parallax Occlusion Mapping
视差遮蔽映射可以使用相对较少的采样次数产生很好的结果。但视差遮蔽映射比浮雕视差映射更容易跳过高度图中的小细节，也更容易在高度图数据产生大幅度的变化时得到错误的结果。
原理
视差映射技术的主要任务是修改纹理坐标，让平面看起来像是立体的。主要计算都是在Fragment Shader中进行。看看下面的图片。水平线0.0表示完全没有凹陷的深度，水平线1.0表示凹陷的最大深度。实际的几何体并没改变，其实一直都在0.0水平线上。图中的曲线代表了高度图中存储的高度数据。
设当前点（译者：原文中用的是Fragment，片元。）是图片中用黄色方块高亮出来的那个点，这个点的纹理坐标是T0。向量V是从摄像机到点的方向向量。用坐标T0在高度图上采样，你能得到这个点的高度值H(T0)=0.55。这个值不是0，所以点并不是在表面上，而是凹陷下去的。所以你得把向量V继续延长直到与高度图定义出来的表面最近的一个交点。这个交点我们说它的深度就是H(T1)，它的纹理坐标就是T1。所以我们就应该用T1的纹理坐标去对颜色和法线贴图进行采样。
所以说，所有视差映射技术的主要目的，就是要精确的计算摄像机的向量V和高度图定义出来的表面的交点。
视差原理
陡峭视差映射 Steep Parallax Mapping
如图所示把表面的深度切分成等距的若干层。然后从最顶端的一层开始采样高度图，每一次会沿着V的方向偏移纹理坐标。如果点已经低于了表面（当前的层的深度大于采样出的深度），停止检查并且使用最后一次采样的纹理坐标作为结果。
陡峭视差映射的工作方式在下面的图片上举例。深度被分割成8个层，每层的高度值是0.125。每层的纹理坐标偏移是V.xy/V.z * scale/numLayers。从顶层黄色方块的位置开始检查。
以下参照下图给出算法的执行步骤：
层的深度为0，高度图深度H(T0)大约为0.75。采样到的深度大于层的深度，所以开始下一次迭代。
沿着V方向偏移纹理坐标，选定下一层。层深度为0.125，高度图深度H(T1)大约为0.625。采样到的深度大于层的深度，所以开始下一次迭代。
沿着V方向偏移纹理坐标，选定下一层。层深度为0.25，高度图深度H(T2)大约为0.4。采样到的深度大于层的深度，所以开始下一次迭代。
沿着V方向偏移纹理坐标，选定下一层。层深度为0.375，高度图深度H(T3)大约为0.2。采样到的深度小于层的深度，所以向量V上的当前点在表面之下。我们找到了纹理坐标Tp=T3是实际交点的近似点。
陡峭视差映射原理
浮雕视差映射 Relief Parallax Mapping
浮雕视差映射升级了陡峭视差映射。
算法一阶段采用陡峭视差映射得到交点前后的两个层，和对应的深度值。在下面的原理图中这两个层分别对应纹理坐标T2和T3。
算法在二阶段采用二分法来进一步改进你的结果，每一次搜索迭代可以使精确度提升一倍。
以下参照下图给出了算法的执行步骤：
在陡峭视差映射之后，我们知道交点肯定在T2和T3之间。真实的交点在图上用绿点标出来了。
设每次迭代时的纹理坐标变化量ST，它的初始值等于向量V在穿过一个层的深度时的XY分量。
设每次迭代时的深度值变化量SH，它的初始值等于一个层的深度。
把ST和SH都除以2。
把纹理坐标T3沿着反方向偏移ST，把层深度沿反方向偏移SH，得到此次迭代的纹理坐标T4和层深度H(T4)。
（*）采样高度图，把ST和SH都除以2。
如果高度图中的深度值大于当前迭代层的深度H(T4)，则将当前迭代层的深度增加SH，迭代的纹理坐标沿着V的方向增加ST。
如果高度图中的深度值小于当前迭代层的深度H(T4)，则将当前迭代层的深度减少SH，迭代的纹理坐标沿着V的相反方向增加ST。
从(*)处循环，继续二分搜索，直到规定的次数。
最后一步得到的纹理坐标就是浮雕视差映射取到的近似结果。
浮雕视差映射原理
视差遮蔽映射 Parallax Occlusion Mapping
视差遮蔽映射(POM)是陡峭视差映射的另一个改进版本。
算法一阶段采用陡峭视差映射得到交点前后的两个层，和对应的深度值。在下面的原理图中这两个层分别对应纹理坐标T2和T3。
算法二阶段对一阶段获得的两个纹理偏移值进行插值。如原理图所示，POM使用相交之后的层深度（0.375，陡峭视差映射停止迭代的层），上一个采样深度H(T2)和下一个采样深度H(T3)。从图片中你能看到，视差遮蔽映射的插值结果是在视向量V和H(T2)和H(T3)高度的连线的交点上。这个交点已经足够接近实际交点（标记为绿色的点）了。
视差遮蔽映射原理
