使用InverseViewProjection获取世界坐标存在精度不足及结果异常问题

现有方案问题分析 #

方案1（逆VP矩阵实现）问题 #

• 核心错误1：裁剪空间坐标构造错误，你构造的scc = float4(p,0.0,1.0)中z值为0，对应裁剪空间近远平面中间位置，不是像素对应的正确射线终点，方向本身就存在偏差
• 核心错误2：精度适配问题，大世界场景下直接用远平面世界坐标减相机世界坐标，大数相减会丢失32位浮点数精度，距离原点越远误差越大，表现为画面抖动

方案2（深度转世界位置实现）问题 #

• 核心错误1：深度处理错误，你直接用投影矩阵输出的非线性深度乘屏幕空间射线，透视投影的深度是w分量插值得到的非线性值，直接相乘会导致比例错误，出现拉伸
• 核心错误2：射线方向反转，normalize(cameraPos - wPos)得到的是从像素位置指向相机的向量，raymarching需要的是从相机指向像素的向量，方向写反
• 核心错误3：矩阵乘法顺序不匹配，如果你的引擎用列向量优先（Unity、Unreal默认），矩阵乘法应该是mul(矩阵, 向量)，你写的mul(pos, viewInverse)是行向量的写法，顺序反了就会出现旋转时方向翻转的问题

推荐修复实现 #

根据体积特效的不同需求选对应方案即可，代码已经做了简化适配，直接替换原有逻辑就行：

场景1：不需要深度，直接计算像素射线方向（适合体积雾、体积云等全屏特效） #

该方案完全避免大坐标运算，不管相机离世界原点多远都不会出现抖动：

// 输入参数：uv、视图逆矩阵viewInverse、投影矩阵mProjection
uv.y = 1 - uv.y;
float2 p = uv * 2 - 1;
// 先计算视图空间下的射线方向，不涉及世界大坐标运算
float3 viewRay = float3(p.x / mProjection[0][0], p.y / mProjection[1][1], 1.0);
// 仅用视图逆矩阵的旋转分量转世界空间，避免精度损失
float3 rd = normalize(mul((float3x3)viewInverse, viewRay));

场景2：需要读取深度缓冲区计算射线（适合和场景物体交互的体积特效） #

// 第一步先把硬件返回的非线性深度转成线性深度，引擎有内置函数直接用即可
// 无内置函数可用公式自己算：float linearDepth = (2 * near * far) / (far + near - (2 * depth - 1) * (far - near));
// 其中near是相机近裁剪面距离，far是相机远裁剪面距离
float linearDepth = LinearEyeDepth(depth, _ZBufferParams);

float4 DepthToViewPos(float linearDepth, float2 texCoord){
    float x = texCoord.x * 2 - 1;
    float y = texCoord.y * 2 - 1;
    float3 viewPos = float3(x / mProjection[0][0], y / mProjection[1][1], 1.0) * linearDepth;
    return float4(viewPos, 1.0);
}

float3 DepthToWorldPos(float linearDepth, float2 texCoord){
    float4 viewPos = DepthToViewPos(linearDepth, texCoord);
    // 如果还是出现翻转，把矩阵和向量的顺序反过来就行：mul(viewPos, viewInverse)
    float4 worldPos = mul(viewInverse, viewPos);
    return worldPos.xyz;
}

float3 wPos = DepthToWorldPos(linearDepth, uv);
// 修正方向为相机指向像素位置
float3 rd = normalize(wPos - cameraPos);

内容的提问来源于stack exchange，提问作者mat42k