UnityTips 之内置雾效在正交相机下的变态

2023-04-03  本文已影响0人  暴走TA

简介： 近日在开发中遇到了正交相机渲染角色直接被雾覆盖的现象，主要是角色离相机也不远。做了一番测试，在此记录一下
unity版本：20222.1.7fc1

复现方式

正交相机，相机的nearclip 设置为负数，角色无需离相机太远，即可复现

内置雾效的实现方式

  1. 在 vertex 阶段调用 ComputeFogFactor（float zPositionCS）获取雾的混合系数
    //zPositionCS 是定点在裁切空间的Z值

     real ComputeFogFactor(float zPositionCS)
 {
     float clipZ_0Far = UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(zPositionCS);//映射Z 为 0 到 远裁切面
     return ComputeFogFactorZ0ToFar(clipZ_0Far); //计算雾效系数
 }

  2. 在 frag 阶段混合雾效 调用 MixFog(half3 fragColor, half fogFactor)

      float ComputeFogIntensity(float fogFactor)
 {
     float fogIntensity = 0.0;
     #if defined(FOG_LINEAR) || defined(FOG_EXP) || defined(FOG_EXP2)
         #if defined(FOG_EXP)
             // factor = exp(-density*z)
             // fogFactor = density*z compute at vertex
             fogIntensity = saturate(exp2(-fogFactor));
         #elif defined(FOG_EXP2)
             // factor = exp(-(density*z)^2)
             // fogFactor = density*z compute at vertex
             fogIntensity = saturate(exp2(-fogFactor * fogFactor));
         #elif defined(FOG_LINEAR)
             fogIntensity = fogFactor;
         #endif
     #endif
     return fogIntensity;
 }
 half3 MixFogColor(half3 fragColor, half3 fogColor, half fogFactor)
 {
     #if defined(FOG_LINEAR) || defined(FOG_EXP) || defined(FOG_EXP2)
         half fogIntensity = ComputeFogIntensity(fogFactor);
         fragColor = lerp(fogColor, fragColor, fogIntensity);
     #endif
     return fragColor;
 }

 half3 MixFog(half3 fragColor, half fogFactor)
 {
     return MixFogColor(fragColor, unity_FogColor.rgb, fogFactor);
 }

问题点

一步步的跟进后，发现在顶点阶段计算混合系数的时候有些小蹊跷
UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE 宏定义函数

    #if defined(UNITY_REVERSED_Z)
        #if UNITY_REVERSED_Z == 1
            //D3d with reversed Z => z clip range is [near, 0] -> remapping to [0, far]
            //max is required to protect ourselves from near plane not being correct/meaningfull       in case of oblique matrices.
            #define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) max(((1.0-(coord)/_ProjectionParams.y)*_ProjectionParams.z),0)
        #else
            //GL with reversed z => z clip range is [near, -far] -> should remap in theory but dont do it in practice to save some perf (range is close enough)
            #define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) max(-(coord), 0)
        #endif
    #elif UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
        //D3d without reversed z => z clip range is [0, far] -> nothing to do
       #define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) (coord)
    #else
        //Opengl => z clip range is [-near, far] -> should remap in theory but dont do it in practice to save some perf (range is close enough)
        #define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) (coord)
    #endif

float clipZ_0Far = UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(zPositionCS);//映射Z 为 0 到 远裁切面
UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) max(((1.0-(coord)/_ProjectionParams.y)*_ProjectionParams.z),0)
这一行 coord 是我们传递进来的 裁切空间的 Z 值 ，
_ProjectionParams 的四个分量含义分别是：

    // x = 1 or -1 (-1 if projection is flipped)
    // y = near plane
    // z = far plane
    // w = 1/far plane
    float4 _ProjectionParams;

    x：表明是不是反向投射；
    y：近裁平面在view空间（相机空间）的z值，数值上等于相机设置中的近裁平面的值；
    z：远裁平面在view空间（相机空间）的z值，数值上等于相机设置中的远裁平面的值；
    w：1/z

unity 中正交相机的近裁切面可以设置为负数，而透视相机最小不能小于0


正交相机的nearclip可以设置为负数

结合公式
max(((1.0-(coord)/_ProjectionParams.y)*_ProjectionParams.z),0) 中的 _ProjectionParams.y 如果是个负数，则1- 一个负数 就变成了 1 加一个正数

假设两种情况

假设 z 位置为5 _ProjectionParams.z为30 _ProjectionParams.y为-20 则带入方法中
coord=1-(5-(-20))/(30-(-20))=25/50=0.5 //因为 ComputeFogFactorZ0ToFar 里用的是 reverse 的 Z 所以我们也 reverse 一下 这个是个约数下面的coord都是一样 都是约数
max(((1.0-(0.5)/-20)30),0)=max(((1.025)30),0)=max(30.75,0)=30.75

假设 _ProjectionParams.y =1，则方法应返回
coord=1-(5-1)/(30-1)=0.138 //因为 ComputeFogFactorZ0ToFar 里用的是 reverse 的 Z 所以我们也 reverse 一下
max(((1.0-(0.138)/1)*30),0)=max(5.16,0)=5.16 //约数

我们带着两种nearclip 来看一下ComputeFogFactorZ0ToFar 的结果
ComputeFogFactorZ0ToFar 的方法内容为，

    real ComputeFogFactorZ0ToFar(float z)
    {
        #if defined(FOG_LINEAR)
        // factor = (end-z)/(end-start) = z * (-1/(end-start)) + (end/(end-start))
        float fogFactor = saturate(z * unity_FogParams.z + unity_FogParams.w);
        return real(fogFactor);
        #elif defined(FOG_EXP) || defined(FOG_EXP2)
        // factor = exp(-(density*z)^2)
        // -density * z computed at vertex
        return real(unity_FogParams.x * z);
        #else
            return real(0.0);
        #endif
    }

我们使用线性雾 实际公式为

        // factor = (end-z)/(end-start) = z * (-1/(end-start)) + (end/(end-start))
        float fogFactor = saturate(z * unity_FogParams.z + unity_FogParams.w);
        //unity_FogParams 参数详解
        // x = density / sqrt(ln(2))//useful for Exp2 mode
        // y = density / ln(2)//useful for Exp mode
        // z = -1/(end-start)// useful for Linear mode
        // w = end/(end-start)// useful for Linear mode

当_ProjectionParams.y为-20 则 我们设雾的 start 为1 end为31
coord=1-(5-(-20))/(30-(-20))=0.5//约数
UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) 的结果为30.75 //严重超出我们的5米站位
fogFactor =saturate(30.75unity_FogParams.z + unity_FogParams.w)
fogFactor=saturate(-30.751/30+31/30)=saturate((-30.75+31)/30)=saturate(0.25/30)=0.0083333

当_ProjectionParams.y为-0.1 则 我们设雾的 start 为1 end为31
coord=1-(5-(-0.1))/(30-(-0.1))=0.830564//约数
max(((1.0-(0.830564)/-0.1)30),0)=max(((9.830564)30),0)=max(30.75,0)=294.9169
** UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord)** 的结果为294.9169 //严重超出我们的5米站位
fogFactor =saturate(294.9169unity_FogParams.z + unity_FogParams.w)
fogFactor=saturate(-294.91691/30+31/30)=saturate((-30.75+31)/30)=saturate(-263/30)=0

当_ProjectionParams.y为1 则 我们设 start 为1 end为31
coord=1-(5-1)/(30-1)=0.138 //约数
UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) 的结果为5.16 //接近我们的5米站位
fogFactor =saturate(5.16unity_FogParams.z + unity_FogParams.w)
fogFactor=saturate(-5.161/30+31/30)=saturate((-5.16+31)/30)=saturate(25.84/30)=0.861333

根据 fragColor = lerp(fogColor, fragColor, fogIntensity); 可以看出 fogFactor 越小 雾越明显
当 _ProjectionParams.y 为-20时 fogFactor 为 0.0083333
当 _ProjectionParams.y 为-0.1时 fogFactor 为 0
虽然 coord 的数值是个约数，但是相关性是一样的，所以当 _ProjectionParams.y 为负数时 基本人物就是完全在雾里
可以看出 UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE 计算的站位 当 近裁切面为负数时差异比较大。

解决方案

(1-coord)(end-start)+start=end-start-coordend+coordstart+start=end-coord(end-start) 替换UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE 宏内的逻辑

UNITY_REVERSED_Z 的定义情况

    #if defined(SHADER_API_D3D11) || defined(SHADER_API_PSSL) || defined(SHADER_API_METAL) || defined(SHADER_API_VULKAN) || defined(SHADER_API_SWITCH)
    // D3D style platforms where clip space z is [0, 1].
    #define UNITY_REVERSED_Z 1
    #endif
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