为何gl_FragCoord.z与((pos.z/pos.w)+1.0)*0.5存在差异？深度精度疑问

这个问题的核心原因在于透视校正插值的机制，以及GPU处理顶点数据和片段数据的顺序差异，咱们一步步拆解来看：

1. 两种深度计算方式的本质区别 #

• 你在顶点着色器里计算的depth，是先对每个顶点的裁剪空间坐标执行pos.z/pos.w（得到NDC标准化设备坐标的z值），转成[0,1]范围后输出。GPU会对这个depth值做线性插值，将结果传递给每个片段。
• 而gl_FragCoord.z是GPU先对顶点的完整裁剪空间坐标pos（x/y/z/w四个分量）做透视校正插值，再在每个片段上执行透视除法（pos.z/pos.w）得到NDC的z值，最后转换为窗口空间的深度值（对应深度缓冲区[0,1]的范围）。

2. 为何z值小（离相机远）时差异更大？ #

在透视投影下，深度缓冲区的精度分布是非线性的：

• 靠近相机的区域（z值大，对应NDC z更接近近平面），深度值的变化更敏感，精度更高；
• 远离相机的区域（z值小，对应NDC z更接近远平面），深度值的变化非常平缓，精度极低。

线性插值无法模拟透视下的非线性深度变化，在远平面区域，这种插值误差会被放大，导致你看到的差异变得更明显；而在近平面区域，因为深度精度高，线性插值和透视校正插值的结果差异很小，几乎可以忽略。

3. 如何让两者计算结果一致？ #

不要在顶点着色器里提前计算好depth，而是输出裁剪空间的z和w分量，让GPU对这两个分量做透视校正插值，再在片段着色器里完成深度计算：

// 顶点着色器
out float clipZ;
out float clipW;
void main(void) {
    vec4 pos = mvpMatrix * vertex;
    clipZ = pos.z;
    clipW = pos.w;
    gl_Position = pos;
}

// 片段着色器
in float clipZ;
in float clipW;
void main(void) {
    float ndcZ = clipZ / clipW;
    float depth = ((ndcZ + 1.0) * 0.5);
    gl_FragDepth = depth; // 此时结果与gl_FragCoord.z完全一致
}

这样做的原因是，GPU对clipZ和clipW的透视校正插值会自动适配透视投影的非线性特性，在片段着色器里做除法后得到的深度值，和硬件原生生成的gl_FragCoord.z完全匹配。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者PowerNow