【渲染流水线】[几何阶段]-[归一化NDC]以UnityURP为例

• NDC空间‌：透视除法的结果，顶点坐标已归一化，可直接用于视口映射和裁剪‌
  

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

• 在渲染管线中，‌归一化严格等同于透视除法‌，是齐次坐标到NDC空间转换的核心步骤‌。Unity中这步，自动执行。
  
• 数据归一化主要通过‌NDC空间（归一化设备坐标）转换‌实现，其核心原理是将裁剪空间坐标统一映射到标准范围（[-1,1]的立方体内（OpenGL标准）或[0,1]（DirectX标准））
  
• 可以看作是一个矩形内的坐标体系。经过转化后的坐标体系是 限制在一个立方体内的坐标体系。无论x y z轴在坐标体系内的范围都是(-1, 1)。归一化后，z轴向屏幕内。
  
• 归一化范围在OpenGL中范围为[-1, 1]，DirectX中为[0, 1]。映射到屏幕时(0, 0)点：GpenGL是左下角，DirectX是左上角。
  

归一化原理

透视除法（Perspective Division）

将齐次裁剪空间坐标的(x,y,z)分量除以w分量，得到NDC坐标
此操作将坐标归一化至[-1,1]范围（OpenGL/Unity）或[0,1]范围（Direct3D）‌。
NDCExample.shader

• 1.URP标准坐标转换流程
  
• 2.手动NDC坐标计算
  
• 3.通过v2f结构传递NDC数据
  

1. // hlsl
2. Shader "Custom/NDCDemo"
3. {
4.     SubShader
5.     {
6.         Pass
7.         {
8.             HLSLPROGRAM
9.             #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
11.             struct Attributes { float4 vertex : POSITION; };
12.             struct Varyings { float4 pos : SV_POSITION; float3 ndc : TEXCOORD0; };
14.             Varyings vert(Attributes v)
15.             {
16.                 Varyings o;
17.                 o.pos = TransformObjectToHClip(v.vertex.xyz);
18.                 // 手动计算NDC坐标
19.                 o.ndc = o.pos.xyz / o.pos.w;
20.                 return o;
21.             }
22.             ENDHLSL
23.         }
24.     }
25. }

复制代码

URP中的NDC

Unity URP(Universal Render Pipeline)中，归一化的设备坐标(NDC)映射范围取决于具体的API平台：

• ‌Direct3D风格平台‌（如Windows、Xbox等）：
  
  
  
  • NDC范围是 ‌[-1, 1]³‌（x,y,z三个维度）
    
  • 深度值(z)映射到[0,1（通过投影矩阵转换）
    
  
  
• ‌OpenGL风格平台‌（如MacOS、Linux等）：
  
  
  
  • NDC范围是 ‌[-1, 1]³‌
    
  • 深度值(z)保持[-1,1]
    
  
  

URP默认使用‌[-1,1]³‌的NDC范围（与Built-in管线一致），但最终会适配目标平台的约定。
坐标转换示例过程

假设有一个世界空间点(2, 1, 5)：

• 通过视图矩阵转换到视图空间（相机空间）
  
• 通过URP投影矩阵转换到裁剪空间（clip space）
  
• 透视除法得到NDC坐标（w分量除法）
  

具体数值示例（假设使用D3D风格）：

1. 世界坐标 (2, 1, 5)
2. ↓ 视图矩阵转换
3. 视图坐标 (1.5, 0.8, 4.2)
4. ↓ 投影矩阵转换
5. 裁剪坐标 (3.2, 1.6, 8.4, 4.2)
6. ↓ 透视除法 (x/w, y/w, z/w)
7. NDC坐标 (0.76, 0.38, 2.0) → 超出[-1,1]会被裁剪

复制代码

深度值特殊处理

在URP中，深度缓冲区的值会被重新映射：

• 原始NDC的z ∈ [-1,1]（OpenGL）或 [0,1]（D3D）
  
• 最终存储到深度纹理时统一映射到[0,1]范围
  

可以通过Shader验证：

1. hlsl
2. // 在Fragment Shader中：
3. float ndcZ = clipPos.z / clipPos.w; // 透视除法后的z值
4. float depth = ndcZ * 0.5 + 0.5;    // D3D平台下实际存储值

复制代码

URP通过_UNITY_UV_STARTS_AT_TOP等宏处理不同平台的坐标差异，保证跨平台一致性。
NDC转换在实际中的应用

虽然默认NDC计算是固定加速计算的过程，但是有时需要手动计算实现一些定制效果。
在Unity URP中，几何着色器(Geometry Shader)手动计算NDC并实现屏幕映射的典型应用场景包括：
1. 视锥裁剪

• 将世界坐标转换为NDC后判断是否在[-1,1]范围内
  

2. 屏幕空间特效

• ‌ 通过NDC坐标计算UV用于采样屏幕纹理
  

3. 几何体动态生成

• ‌  根据NDC坐标控制顶点生成范围
  

计算NDC并实现屏幕空间粒子生成示例ScreenSpaceParticle.shader

• 在几何着色器中通过clipPos.xyz / clipPos.w完成透视除法得到NDC坐标
  
• 使用NDC坐标时需注意：
  
  
  
  • D3D平台下y轴需要取反（screenUV.y = 1 - screenUV.y）
    
  • 深度值在D3D平台需映射到[0,1]范围
    
  
  
• 示例实现了屏幕空间粒子生成效果，可通过NDC坐标控制生成范围
  

实际应用时可结合_UNITY_MATRIX_VP矩阵进行完整坐标空间转换链验证。
[code]Shader "Custom/NDCGeometryShader"{    Properties { _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} }    SubShader    {        Tags { "RenderType"="Opaque" }        Pass        {            HLSLPROGRAM            #pragma vertex vert            #pragma geometry geom            #pragma fragment frag            #include "ackages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"            struct v2g {                float4 pos : SV_POSITION;                float2 uv : TEXCOORD0;            };            struct g2f {                float4 pos : SV_POSITION;                float2 uv : TEXCOORD0;                float3 ndc : TEXCOORD1;            };            v2g vert(appdata_base v) {                v2g o;                o.pos = TransformObjectToHClip(v.vertex);                o.uv = v.texcoord;                return o;            }            [maxvertexcount(4)]            void geom(point v2g input[1], inout TriangleStream stream) {                // 手动计算NDC坐标                float4 clipPos = input[0].pos;                float3 ndc = clipPos.xyz / clipPos.w;                // 屏幕空间扩展（生成四边形粒子）                float size = 0.1;                g2f o;                for(int i=0; i

谢谢分享，试用一下