【渲染流水线】[几何阶段]-[屏幕映射]以UnityURP为例

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前情提要

【渲染流水线】主线索引-从数据到图像以UnityURP为例-优快云博客

裁剪的目标

• 屏幕映射阶段是将NDC三维空间坐标转换为最终屏幕像素位置的关键步骤。
• 此阶段由GPU固定管线完成，开发者不可编程，仅可通过视口设置调整映射范围

（对渲染的探索是个持续不断完善的过程，记录这个过程将零散的内容整理起来，其中肯定会有理解偏差和问题，如果哪里有问题，欢迎在评论区探讨和指出）

NDC坐标范围‌

• NDC空间是裁剪空间经过透视除法（除以w分量）后得到的归一化立方体，坐标范围为：
• x, y轴：[-1, 1]（左下角为(-1,-1)，右上角为(1,1)）
• z轴：[0, 1]（深度值，0为近裁剪面，1为远裁剪面）

视口变换（屏幕映射）

• 将NDC坐标映射到屏幕空间：
• x轴‌：将[-1, 1]线性映射到[0, 屏幕宽度]
  • xScreen=(xNDC+1)×0.5×屏幕宽度
• ‌y轴‌：因屏幕坐标系原点在左上角，需反转y轴（1 - NDC_y）再映射到[0, 屏幕高度]
  • yScreen=(1−yNDC)×0.5×屏幕高度
• 保留z_{ndc}用于深度测试‌

URP中的具体映射案例‌

• 假设屏幕分辨率为1920×1080，一个NDC坐标为(0, 0, 0.5)：
• ‌x轴映射‌：Screen_x = (0 + 1)/2 × 1920 = 960
• ‌y轴映射‌：Screen_y = (1 - 0)/2 × 1080 = 540（因y轴反转，NDC的0对应屏幕顶部）
• ‌结果‌：该点位于屏幕正中央像素(960, 540)处

‌技术细节说明‌

• ‌视口调整‌：可通过UnityEngine.Rendering.CommandBuffer.SetViewport修改映射区域（如画中画效果），默认映射全屏。
• ‌与裁剪空间关系‌：顶点着色器需输出齐次裁剪坐标（如UnityObjectToClipPos(v.vertex)），GPU自动执行透视除法和屏幕映射。
• ‌精度影响‌：高分辨率下浮点精度误差可能引起像素偏移，需注意抗锯齿设置。

//计算点在屏幕空间中的位置:首先positionCS中的值还没有进行其次除法，需要先除以positionCS.w转换为
//NDC坐标，范围[-1,1]，然后*0.5+0.5后转为[0,1],最后乘以_ScreenParams转换为最终的屏幕空间位置
float2 p0 = _ScreenParams.xy * (p[0].positionCS.xy / p[0].positionCS.w * 0.5 + 0.5);

几何阶段完整流程及数据变换示例‌

‌初始坐标‌：模型空间顶点坐标 (2.0, 1.0, -3.0, 1.0)（齐次坐标w=1），摄像机使用透视投影，近平面z=0.3，远平面z=1000，视口分辨率1920x1080。

‌1. 顶点着色器（Vertex Shader）‌

• ‌输入‌：模型空间坐标 (2.0, 1.0, -3.0, 1.0)
• ‌操作‌：应用MVP矩阵（Model-View-Projection）变换到齐次裁剪空间。假设变换后输出为：(x′,y′,z′,w′)=(1.5,0.8,−2.2,3.0)
• ‌输出‌：齐次裁剪坐标 (1.5, 0.8, -2.2, 3.0)

‌2. 曲面细分着色器（可选，Tessellation Shader）‌

• ‌输入‌：若启用细分，接收控制点数据（如原始三角形顶点）。
• ‌操作‌：细分生成新顶点，例如输出新增顶点 (1.2, 0.6, -2.0, 2.8)。
• ‌输出‌：细分后的齐次裁剪坐标（假设未启用，跳过此阶段）

‌3. 几何着色器（可选，Geometry Shader）‌

• ‌输入‌：图元顶点（如三角形三个顶点）。
• ‌操作‌：可生成新图元（如将三角形拆分为多个线段）。若未启用，直接传递数据。
• ‌输出‌：原始或新增的齐次裁剪坐标（假设未启用，跳过此阶段）

‌4. 图元装配（Primitive Assembly）‌

• ‌输入‌：齐次裁剪坐标 (1.5, 0.8, -2.2, 3.0)（假设为三角形的一个顶点）。
• ‌操作‌：将顶点组装为图元（如三角形），并计算包围盒。
• ‌输出‌：完整的三角形图元（三个顶点数据）

‌5. 视锥体裁剪（Frustum Culling）‌

• ‌输入‌：齐次裁剪坐标 (1.5, 0.8, -2.2, 3.0)。
• ‌操作‌：
  • ‌透视除法‌：转换为NDC坐标 (1.5/3.0, 0.8/3.0, -2.2/3.0) = (0.5, 0.267, -0.733)。
  • ‌边界检查‌：若NDC坐标超出[-1,1]范围则裁剪。本例中x/y在范围内，但z=-0.733（OpenGL下有效，DirectX需z∈[0,1]则剔除）。
  • ‌插值裁剪‌：若部分顶点超出边界，生成新顶点（如裁剪z边界时插值计算新坐标）。
• ‌输出‌：裁剪后的NDC坐标（假设全部保留） (0.5, 0.267, -0.733)。

‌6. 屏幕映射（Screen Mapping）‌

• ‌输入‌：NDC坐标 (0.5, 0.267, -0.733)。
• ‌操作‌：
  • ‌视口变换‌：将NDC的xy映射到屏幕像素坐标（如1920x1080）：
    • xscreen=(0.5+1)∗1920/2=1440
    • yscreen=(0.267+1)∗1080/2=684.18
  • ‌深度保留‌：z值转换为深度缓冲值（如OpenGL下 (-0.733+1)/2=0.1335）。
• ‌输出‌：屏幕空间坐标 (1440, 684, 0.1335)。

接下来：【渲染流水线】[光栅阶段]-[光栅插值]以UnityURP为例-优快云博客

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