Unity根据深度值计算世界坐标

最近在Unity在ForwardPath的情况下，实现一个DeferRender的效果。其中在DeferRender的时候会用到世界坐标。世界坐标有三个值x,y,z，如果要记录三个值就需要三个通道来记录世界坐标。

第一部分：根据深度值世界坐标

其实在DeferRender的时候我们对每一个像素值都是可以知道屏幕坐标的xy值的，那么只要知道了深度值，就可以反向推出世界坐标了。

图1-1 模型空间到屏幕空间的过程

在经过透视除法得到的结果xyz 都是在-1 -- 1 (opengl) 或者0-1（directx）。我们只要获取到这个深度值。在PC中， vertex的 shader写法如下：

图1-2 在vertshader中获取深度值

记录的深度值就可以在后处理过程当中使用了。当然可以通过另外一种方法获取深度值就是设置Camera的depthTextureMode 为depth 或者depthnormal。这样在shader中只要做如下声明就可以获得深度贴图了。

图1-3 在sheder中声明 _CameraDepthTexture

现在已经可以获得深度值了。如何构建屏幕空间的坐标呢？拿到屏幕上的坐标，组合深度值就是了。我们在使用Graphics.Blit的时候UV值就是屏幕空间的归一化坐标了。

现在只要获得两个矩阵就可以获得世界坐标。一个是投影矩阵MatriProjection，一个是MatrixWToV。求出这两个矩阵的逆矩阵就可以轻松通过矩阵成向量获得世界坐标。

图1-4 根据屏幕坐标和深度值求世界坐标

图1-4中有个矩阵_ViewProjectionInverseMatrix 是投影矩阵和世界坐标转观察空间矩阵相乘求逆得到的。通过Material.setMatrix设置的。

图1-5 在PreRender中设置_ViewProjectionInverseMatrix

第二部分：如何测试你的结果是否正确

在Shader中如何测试我们计算的结果是多少，或者是否正确？有几种方式都可以测试。　一种是使用帧调试器，　在调试的过程当中可以清楚的看到Shader计算的值。不论是参数还是计算结果。 Unity5已经自带帧调试器了。而Unity5以前的版本则可以使用IntelGPA，高通的AdrenoProfiler 打出一个exe的包用Visual Studio的帧调试器。当然还有其他一些工具。

另外一种方式则是直接输出颜色值，把你的值压缩在0-1范围内。这里可以直接使用第二种方法。因为我们在正常的渲染情况下渲染一遍物体，把深度值渲染到一张RenderTexture上，然后在后处理中反推出世界坐标。那么只要我们把世界坐标的值压缩在0-1赋值给这个物体的颜色即可。然后在后处理中同样把计算的世界坐标压缩到0-1直接。只要编辑器下Scene里的物体颜色和Game里的物体颜色一致，结果就对了。否则就是错的。

图2-1 在渲染物体的输出世界坐标坐标作为颜色值

图2-2 后处理中计算的直接坐标值和实际的世界坐标值一致的结果

在实际测试过程当中，会出现物体拖得太远在camera里就看不见了，这是因为z-fighting的原因，我们计算出来的z值和原坐标的z并非是线性关系，而是一条曲线值。在某些地方就会出现精度问题。 z-fighting可以阅读文章：https://www.scratchapixel.com/lessons/3d-basic-rendering/perspective-and-orthographic-projection-matrix/opengl-perspective-projection-matrix

第三部分：仍然有疑问的地方

1、回到图1-1当中，在透视除法之后理论上xyz的值都应该是-1--1 或者0-1。而我使用的是OpenGL的做法即 -1---1。但我在图1-2中取深度值直接取

z = o.position.z / o.postion.w

而不是

z =（ o.position.z / o.postion.w + 1 ） * 0.5

测试也是前哪一种方法是对的，而后一种方法是错的。

2、我是否可以观察空间下的z 除以 farplane的值就可以了。因为如果z超过了farplane 就被裁剪掉了。然后在后处理过程当中直接拿到view空间下的坐标替换z值，然后乘上 UNITY_MATRIX_MV 的逆矩阵和 _Object2World 就可以得到世界坐标了呢？

3、在实际的不同平台上裁剪空间上区别还没有验证。

附件是我在Unity4.6下测试代码，在unity5中会报错，只要修改其中的GenerateDepthAndShowWoldPos.shader即可运行了。

参考：

1、https://forum.unity3d.com/threads/reconstructing-world-pos-from-depth-imprecision.228936/

2、http://www.klayge.org/2011/01/16/klayge%e4%b8%ad%e7%9a%84%e5%bb%b6%e8%bf%9f%e6%b8%b2%e6%9f%93%ef%bc%88%e4%ba%8c%ef%bc%89/

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