POM 砖墙：从单步到光线步进 - Unity URP Shader 实现与在线预览（案例 7.8）· URP 渲染实战

案例 7.8POM 砖墙：从单步到光线步进高阶

目标：实现 Steep 与 POM，并做三组对比：四种模式、层数对台阶的影响、高度缩放对深度感的影响。Steep 的实现：

Assets/Cookbook/Ch07/Parallax.hlsl（节选：steep）

// 陡峭视差（Steep Parallax）：把 [0,1] 深度切成 numLayers 层，沿视线一层层往里走，
// 直到“视线深度”第一次超过“高度图深度”。返回命中点 UV；hitDepth 输出命中深度。
float2 SteepParallax(TEXTURE2D_PARAM(heightMap, sampler_heightMap), float2 uv, half3 viewDirTS,
                     float scale, float minLayers, float maxLayers, out float hitDepth)
{
    float2 dx = ddx(uv), dy = ddy(uv);
    // 正视时层数少，掠射时层数多：掠射时每层在 UV 上走得更远，需要更细的步长
    float numLayers = lerp(maxLayers, minLayers, saturate(viewDirTS.z));
    float layerDepth = 1.0 / numLayers;
    // 视线每深入 1 个单位，UV 偏移 V.xy / V.z * scale（相似三角形）；方向与视线相反
    float2 deltaUV = viewDirTS.xy / max(viewDirTS.z, 0.05) * scale / numLayers;

    float rayDepth = 0;
    float mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
    [loop] for (int i = 0; i < CH07_MAX_STEPS && rayDepth < mapDepth; i++)
    {
        uv -= deltaUV;
        mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
        rayDepth += layerDepth;
    }
    hitDepth = rayDepth;
    return uv;
}

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// 陡峭视差（Steep Parallax）：把 [0,1] 深度切成 numLayers 层，沿视线一层层往里走，
// 直到“视线深度”第一次超过“高度图深度”。返回命中点 UV；hitDepth 输出命中深度。
vec2 SteepParallax(sampler2D heightMap, vec2 uv, vec3 viewDirTS,
                   float scale, float minLayers, float maxLayers, out float hitDepth)
{
    vec2 dx = dFdx(uv), dy = dFdy(uv);
    // 正视时层数少，掠射时层数多：掠射时每层在 UV 上走得更远，需要更细的步长
    float numLayers = mix(maxLayers, minLayers, saturate(viewDirTS.z));
    float layerDepth = 1.0 / numLayers;
    // 视线每深入 1 个单位，UV 偏移 V.xy / V.z * scale（相似三角形）；方向与视线相反
    vec2 deltaUV = viewDirTS.xy / max(viewDirTS.z, 0.05) * scale / numLayers;

    float rayDepth = 0.0;
    float mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
    for (int i = 0; i < CH07_MAX_STEPS && rayDepth < mapDepth; i++)
    {
        uv -= deltaUV;
        mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
        rayDepth += layerDepth;
    }
    hitDepth = rayDepth;
    return uv;
}

几个工程细节：

自适应层数：lerp(maxLayers, minLayers, saturate(V.z))。正视时 V.z ≈ 1，视线在 UV 上几乎不移动，少量层数就够了；掠射时 V.z 很小，每层在 UV 上走得很远，需要更多层才不会“跨过”薄薄的凸起。
循环中的采样：GPU 计算 mip 需要隐式导数，而导数在动态循环里没有定义（同一 2×2 像素块的四个像素可能执行不同次数的循环）。所以循环前先用 ddx/ddy 求出原始 uv 的导数，循环里用 SAMPLE_TEXTURE2D_GRAD 显式传入。宏 CH07_DEPTH 就是为了让这个写法不那么啰嗦。
循环上限：CH07_MAX_STEPS 防止极端情况下步数失控；[loop] 提示编译器不要展开。
分母保护：max(V.z, 0.05) 防止掠射角下除以接近 0 的数。

POM 在 Steep 的循环之后，多一次采样和一次插值：

Assets/Cookbook/Ch07/Parallax.hlsl（节选：pom）

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// 视差遮挡映射（POM）：在 Steep 的基础上，对“穿过表面前后”的两层做一次线性插值，
// 把台阶状的命中点修正到两层之间，低层数也能得到平滑结果。
float2 ParallaxOcclusion(TEXTURE2D_PARAM(heightMap, sampler_heightMap), float2 uv, half3 viewDirTS,
                         float scale, float minLayers, float maxLayers, out float hitDepth)
{
    float2 dx = ddx(uv), dy = ddy(uv);
    float numLayers = lerp(maxLayers, minLayers, saturate(viewDirTS.z));
    float layerDepth = 1.0 / numLayers;
    float2 deltaUV = viewDirTS.xy / max(viewDirTS.z, 0.05) * scale / numLayers;

    float rayDepth = 0;
    float mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
    [loop] for (int i = 0; i < CH07_MAX_STEPS && rayDepth < mapDepth; i++)
    {
        uv -= deltaUV;
        mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
        rayDepth += layerDepth;
    }

    // 穿透后（after）与穿透前（before）两层，各自“视线深度 - 高度图深度”的差
    float2 prevUV = uv + deltaUV;
    float after  = mapDepth - rayDepth;                              // ≤ 0
    float before = CH07_DEPTH(prevUV) - (rayDepth - layerDepth);     // ≥ 0
    float w = after / (after - before + 1e-5);                       // 两段直线的交点比例
    hitDepth = lerp(rayDepth, rayDepth - layerDepth, w);
    return lerp(uv, prevUV, w);
}

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// 视差遮挡映射（POM）：在 Steep 的基础上，对“穿过表面前后”的两层做一次线性插值，
// 把台阶状的命中点修正到两层之间，低层数也能得到平滑结果。
vec2 ParallaxOcclusion(sampler2D heightMap, vec2 uv, vec3 viewDirTS,
                       float scale, float minLayers, float maxLayers, out float hitDepth)
{
    vec2 dx = dFdx(uv), dy = dFdy(uv);
    float numLayers = mix(maxLayers, minLayers, saturate(viewDirTS.z));
    float layerDepth = 1.0 / numLayers;
    vec2 deltaUV = viewDirTS.xy / max(viewDirTS.z, 0.05) * scale / numLayers;

    float rayDepth = 0.0;
    float mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
    for (int i = 0; i < CH07_MAX_STEPS && rayDepth < mapDepth; i++)
    {
        uv -= deltaUV;
        mapDepth = CH07_DEPTH(uv);
        rayDepth += layerDepth;
    }

    // 穿透后（after）与穿透前（before）两层，各自“视线深度 - 高度图深度”的差
    vec2 prevUV = uv + deltaUV;
    float after  = mapDepth - rayDepth;                              // ≤ 0
    float before = CH07_DEPTH(prevUV) - (rayDepth - layerDepth);     // ≥ 0
    float w = after / (after - before + 1e-5);                       // 两段直线的交点比例
    hitDepth = mix(rayDepth, rayDepth - layerDepth, w);
    return mix(uv, prevUV, w);
}

**图 7-15**同一面砖墙、同一机位。从左到右：仅法线贴图、URP 单步视差、Steep 视差、POM + 自阴影（Height Scale 0.06，层数 8～32）。单步视差在砖块左侧拉出条纹；Steep 与 POM 让砖缝真正“凹”了进去，近处的砖块挡住了身后的砖缝。

**图 7-16**贴近墙面、掠射角观察。左：Steep，固定 8 层，砖块侧面出现明显的分层台阶；中：POM，同样 8 层，插值后台阶基本消失；右：POM，16～48 层，作为参照。

图 7-16 很好地说明了 POM 的价值：同样 8 次步进，Steep 的台阶清晰可见，POM 只剩下轻微的形变。实际项目里，POM 的层数一般在 8～32 之间，按视角自适应；Steep 很少单独使用。

**图 7-17**POM 的 Height Scale 分别为 0.02、0.06、0.12。缩放越大砖缝越深，但远处的掠射区域开始出现拉伸和断裂。

Height Scale 是以 UV 为单位的“最大深度”。本例中贴图平铺后每个 UV 单位约等于 1.4 米，0.06 意味着砖缝最深约 8 厘米。缩放越大，同样层数下每层跨过的 UV 距离越长，掠射角下越容易漏掉薄的凸起，表现为图 7-17 右图远处的断裂。经验上，深度感主要靠“近处的遮挡”建立，没必要追求很大的缩放；如果确实需要很深的凹凸（例如窗洞），应当用真实几何或曲面细分。

本案例出自《URP 渲染实战》第 7 章「法线贴图与视差」。在章节中阅读上下文 →

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