Metal着色语言光线追踪着色器的垂直拉伸与水平移动问题

问题根源 #

• 垂直拉伸：未考虑屏幕宽高比，NDC坐标直接转换时，y轴比例未适配屏幕分辨率，导致射线方向在相机空间的垂直维度比例错误。
• 水平移动速度异常：硬编码射线深度值（如-1、-3），未结合传入的fov参数计算透视投影的焦距，导致射线水平覆盖范围与相机实际视场角不匹配，相机移动时场景相对速度偏离预期。

修复步骤与代码修改 #

核心修复逻辑 #

1. 校正宽高比：对NDC坐标的x分量乘以宽高比，确保相机空间中射线的水平/垂直比例与屏幕一致，消除拉伸。
2. 基于FOV计算焦距：用视场角推导相机空间的射线深度，替代硬编码值，匹配相机透视参数，修复移动速度问题。

修改后的代码片段 #

fragment half4 shader_fragment(Vertex in [[stage_in]],
                               constant SCNSceneBuffer& scn_frame [[buffer(0)]],
                               constant NodeBuffer& scn_node [[buffer(1)]],
                               constant Resolution& resolution [[buffer(3)]],
                               constant float& fov [[buffer(2)]]) {
    float time = scn_frame.time;
    
    float2 resolutionVector = float2(resolution.width, resolution.height);
    // 计算屏幕宽高比
    float aspectRatio = resolutionVector.x / resolutionVector.y;
    
    float2 uv = float2(in.position.x, resolutionVector.y - in.position.y) / resolutionVector.xy;
    float2 ndc = uv * 2.0 - 1.0;
    
    // 校正NDC的宽高比，避免垂直拉伸
    ndc.x *= aspectRatio;
    
    // 将FOV转换为弧度，计算透视焦距
    float fovRadians = fov * M_PI / 180.0;
    float focalLength = 1.0 / tan(fovRadians * 0.5);
    // 相机空间z轴指向后方，所以射线z分量为负的焦距
    float3 rayDirCameraSpace = normalize(float3(ndc.x, ndc.y, -focalLength));
    
    // 射线转换到世界空间（原逻辑保留）
    float4x4 invViewMatrix = scn_frame.inverseViewTransform;
    float3 rayDirWorldSpace = (invViewMatrix * float4(rayDirCameraSpace, 0.0)).xyz;
    float3 rayOrigin = (invViewMatrix * float4(0, 0, 0, 1)).xyz;
    
    // 后续着色器代码...
}

修复说明 #

• 宽高比校正：通过ndc.x *= aspectRatio，让射线在相机空间的水平范围适配屏幕宽度，保证不同分辨率下场景比例正常，解决垂直拉伸问题。
• FOV焦距计算：透视投影的焦距由视场角决定，1/tan(fov/2)是标准透视相机的焦距公式，用这个值替代硬编码的深度，确保射线的水平覆盖范围与相机视场角匹配，修复移动时的速度异常，同时避免硬改深度带来的场景畸变。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Arthur TL