概述

在Build in渲染管线下，获取深度图、法线图很简单。但是在URP下，获取深度图很简单，但是并没有提供对获取法线图的支持。本文主要参考Build in渲染管线下获取法线图的原理，在URP下获取法线图。

一、Build in渲染管线中获取法线图

在Build in渲染管线中，获取法线图很简单，在脚本中添加如下代码，然后挂在相机上即可。这样，深度、法线信息就会存储在名为_CameraDepthNormalsTexture的图中，在Shader中可以采样该图获取深度、法线信息。

1	Camera.main.depthTextureMode = DepthTextureMode.DepthNormals;

使用Frame Debugger调试，可以发现，渲染法线图的Pass使用的Shader是Hidden/Internal-DepthNormalsTexture。那么，可以想到的一种方式是，模仿该Shader，在URP中添加生成法线图的Pass。

二、URP中获取法线图

从Unity官网下载一份Build in的Shader文件，解压后，上述的Shader的位置为DefaultResourcesExtra/Internal-DepthNormalsTexture.shader。先关注渲染不透明物体的SubShader，如下：

SubShader
{
    Tags { "RenderType" = "Opaque" }
    Pass
    {
        CGPROGRAM
        
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #include "UnityCG.cginc"
        struct v2f
        {
            float4 pos: SV_POSITION;
            float4 nz: TEXCOORD0;
            UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
        };
        v2f vert(appdata_base v)
        {
            v2f o;
            UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);
            UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.nz.xyz = COMPUTE_VIEW_NORMAL;
            o.nz.w = COMPUTE_DEPTH_01;
            return o;
        }
        fixed4 frag(v2f i): SV_Target
        {
            return EncodeDepthNormal(i.nz.w, i.nz.xyz);
        }
        ENDCG
        
    }
}

在顶点着色器中，通过COMPUTE_VIEW_NORMAL计算出观察空间下的法线，通过COMPUTE_DEPTH_01计算出观察空间中\([0,1]\)范围内的深度值。上述两个方法的具体实现，都可以在UnityCG.cginc文件中找到：

1 2	#define COMPUTE_DEPTH_01 -(UnityObjectToViewPos( v.vertex ).z * _ProjectionParams.w) #define COMPUTE_VIEW_NORMAL normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal))

在片元着色器中，通过EncodeDepthNormal方法将深度和法线信息渲染到一张图中，而EncodeDepthNormal的具体实现也可以在UnityCG.cginc文件中找到：

inline float4 EncodeDepthNormal( float depth, float3 normal )
{
    float4 enc;
    enc.xy = EncodeViewNormalStereo (normal);
    enc.zw = EncodeFloatRG (depth);
    return enc;
}

而EncodeDepthNormal里面又调用了两个内置的方法，同样可以找到：

// Encoding/decoding view space normals into 2D 0..1 vector
inline float2 EncodeViewNormalStereo( float3 n )
{
    float kScale = 1.7777;
    float2 enc;
    enc = n.xy / (n.z+1);
    enc /= kScale;
    enc = enc*0.5+0.5;
    return enc;
}

// Encoding/decoding [0..1) floats into 8 bit/channel RG. Note that 1.0 will not be encoded properly.
inline float2 EncodeFloatRG( float v )
{
    float2 kEncodeMul = float2(1.0, 255.0);
    float kEncodeBit = 1.0/255.0;
    float2 enc = kEncodeMul * v;
    enc = frac (enc);
    enc.x -= enc.y * kEncodeBit;
    return enc;
}

这样，我们就可以实现把Internal-DepthNormalsTexture.shader改写成符合URP的形式，代码如下。

Shader有了，怎么调用呢？这里就需要用到了Renderer Feature了。

模仿URP内置的一些Renderer Feature，我们可以实现自己的获取法线图的Renderer Feature。这里需要新建两个脚本，一个是DepthNormalsFeature.cs，另一个是DepthNormalsPass.cs。至于具体的原理，可以参考我之前的博客。

然后，在ForwardRenderer资源中添加上述DepthNormalsFeature，这样，就可以调用DepthNormalsPass了。

三、显示法线图

上面只是生成了法线图，但是如果没有其他操作的话，我们并不能看到法线图。那么怎么才能看到法线图呢？

答案是使用后处理，具体的实现可以参考练习项目(四)：深度图基础及应用中的“1、渲染深度图”部分。

这里也要新建两个脚本，一个是DisplayNormalTexturePassFeature.cs，另一个是DisplayNormalTexturePass.cs。

然后，在ForwardRenderer资源中添加上述DisplayNormalTexturePassFeature，这样，就可以调用DisplayNormalTexturePass了。

最后，还要实现一个显示法线图的Shader。

Varyings vert(Attributes input)
{
    Varyings output = (Varyings)0;
    
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);
    UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(output);
    
    output.vertex = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
    output.uv = input.uv;
    
    //当有多个RenderTarget时，需要自己处理UV翻转问题
    #if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP //DirectX之类的
        if (_MainTex_TexelSize.y < 0) //开启了抗锯齿
        output.uv.y = 1 - output.uv.y; //满足上面两个条件时uv会翻转，因此需要转回来
    #endif
    
    return output;
}

half4 frag(Varyings input): SV_Target
{
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input);

    half4 normalDepth = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_CameraDepthNormalsTexture, sampler_CameraDepthNormalsTexture, UnityStereoTransformScreenSpaceTex(input.uv));
    half3 normal = DecodeViewNormalStereo(normalDepth);
    return half4(normal * 0.5 + 0.5, 1);
}

在片元着色器中，DecodeViewNormalStereo方法并不是URP内置的方法，而是从Build in渲染管线中移植过来的，可以在UnityCG.cginc文件中找到具体实现：

inline float3 DecodeViewNormalStereo( float4 enc4 )
{
    float kScale = 1.7777;
    float3 nn = enc4.xyz*float3(2*kScale,2*kScale,0) + float3(-kScale,-kScale,1);
    float g = 2.0 / dot(nn.xyz,nn.xyz);
    float3 n;
    n.xy = g*nn.xy;
    n.z = g-1;
    return n;
}