[Unreal shader]深度缓冲重建世界坐标

UE中通过深度缓冲重建世界空间坐标原理和Unity shader重建原理基本一致，但是UE中重建世界坐标的实现路径与Unity是不一致的 ：

• Unity中使用SAMPLE_DEPTH_TEXTUR采样的是原始深度值（RawDepth），是一个范围[0，1]的非线性深度值；UE中SceneDepth节点获取的是真实距离的线性深度（Linearepth），单位是厘米。

• Unity和UE的坐标系不同，Unity是左手坐标系，Y轴向上 (Y-Up)，Z轴向前；UE是左手坐标系，Z轴向上 (Z-Up)，X轴向前。这意味着Unity和UE的矩阵内容不同，Unity 的逆矩阵和 UE 的逆矩阵，里面的 16 个数字是不一样的；Clip Space 方向不同，Unity 的 UV 原点通常在左下角 (OpenGL) 或左上角 (DX)，UE 的 UV 原点在左上角。这会导致 Y 轴方向可能需要1 - y反转。

• Unity和UE的单位不一致，Unity的世界单位是米，UE的世界单位是厘米，因此按照Unity的路径重建出来是 (0, 1, 0)，在 UE 里重建出来则是 (0, 0, 100)。如果不缩放，特效大小会差 100 倍

因此在UE中通过深度缓冲重建世界坐标，建议使用射线法：

1. 射线法

原理公式：P´ = C + ->v * Depth / ->v * ->f

如图所示，P是像素的屏幕空间位置（ScreenPosition），P´是像素的世界空间位置（WorldPosition）；C是相机的世界空间位置（CameraPosition）；->v是相机指向像素P视线的向量（CameraVector），->f是相机朝向向量（CameraDirrction）；Depth是像素P的深度值。由向量->v点乘向量->f可得向量->v、->f的夹角θ的余弦值cosθ，Depth/cosθ获取CP´长度。向量->v* 距离CP´获得向量->CP´，向量->CP´只表示P´到相机C的相对距离，要获取P´在世界空间中的绝对位置，还需要加上相机C的世界空间坐标，即可确定像素P在世界空间中的位置P´。公式如下：

UE节点连线图：

2. 逆矩阵重建

UE中通过逆矩阵重建世界坐标，基本逻辑和Unity一致，由裁剪空间逆矩阵反推至世界空间，但在具体执行层面与Unity不一样

2.1 实现方法

UE中没有提供逆矩阵相关节点，因此需要使用CustomNode输入代码实现逆矩阵

//1.采样：获取纹理坐标，自动适配动态分辨率 (Screen Percentage) //GetSceneTextureUV 为UE内置函数，用于采样屏幕空间UV坐标 float2 ScreenUV = GetSceneTextureUV(Parameters); //获取 DeviceZ (采样0 ~ 1 的非线性深度) float deviceZ = LookupDeviceZ(ScreenUV); //2.几何重建 //获取NDC空间坐标，GetScreenPosition UE内置函数，直接获取NDC空间坐标 float2 ndcPos = GetScreenPosition(Parameters).xy; //通过NDC坐标构建裁剪空间齐次坐标 float4 ClipPos = float4(ndcPos, deviceZ, 1.0); //3.空间变换(Transform) //逆投影矩阵，由裁剪空间齐次坐标转为平移世界空间坐标 float4 TranslatedWorldPosH = mul(ClipPos, ResolvedView.ClipToTranslatedWorld); //透视除法(归一化)，还原为平移世界空间笛卡尔2坐标 TranslatedWorldPos = TranslatedWorldPosH / TranslatedWorldPosH.w; //4.LWC还原(LWC Restore) //获取平移世界坐标偏移量 float3 PreViewTranslation = LWCToFloat(ResolvedView.PreViewTranslation); //还原绝对世界坐标 float3 WorldPos = TranslatedPos.xyz - PreViewTranslation; return WorldPos;

2.2 平移世界空间 (Translated World Space)

平移世界空间 (Translated World Space) 是 Unreal Engine (UE) 渲染管线中一个非常独特且核心的概念。它是 “以相机为原点，但坐标轴方向与世界保持一致” 的坐标系。

在计算机图形学中，GPU处理顶点和像素位置时，通常使用32位浮点数 (Float32)。Float32有一个致命弱点：数值越大，精度越低。如一个超大开放世界游戏中，玩家走到地图边缘（比如坐标1000000， 1000000），此时如果直接使用绝对世界坐标进行渲染计算：模型会开始疯狂抖动（顶点乱跳）、阴影会变成锯齿状或消失、物理计算会崩溃。为了解决这个问题，UE采用了一个聪明的策略：既然GPU处理大数值精度低，那我就强行让所有计算都发生在原点 (0，0，0) 附近。

• 绝对世界空间：世界原点固定不动；相机可能飞到十万八千里外；精度风险：高

• 平移世界空间：强行把世界原点移动到相机所在的位置，在渲染每一帧时，引擎会计算一个偏移量 PreViewTranslation（大约等于 - CameraPosition），所有的物体坐标，都加上这个偏移量，无论玩家走到地图哪里，在GPU看来，相机永远在 (0，0，0) 附近，所有要渲染的物体也都在相机附近。数值永远很小，精度永远完美。