Unity内置管线Projector原理分析

Unity内置管理的Projector功能还是比较简单的。首先给投影体加一个 Projector组件：

这个Projector定义了一个视锥体，可以是透视投影也可以是平行投影。场景中和这个视锥体相交的物体会绘制投影纹理。所以总的效果就是投影体镜头上的贴图（材质）被绘制在场景物体中，例如上图的两个Plane和一个Cube。

这儿使用的技术叫做 Projective Texture Mapping,使用这个关键词可以搜索到一篇论文。基本原理是对于被投影的物体，将他的顶点坐标变换到投影体的Texture space中，这样就可以计算得到uv坐标，使用这个uv坐标去采样投影纹理，将颜色输出。所谓Texture space，其实是将投影体的clip space映射到[0,1]以符合纹理坐标的范围0到1。论文中是使用OpenGL所以clip space范围是[-1,1]需要缩放0.5再偏移0.5，如果是DX，那么clip space就已经是[0,1]了。

Unity内置管线的Projector基本也是用这个原理，但解决了一些工程上的问题。
首先，物体和投影体相交后，并不能精确知道哪些部分会绘制出纹理，其实没关系，物体的所有顶点全部计算出uv坐标，参与绘制即可。但这样会让投影纹理的范围超出视锥体。Unity如何处理的呢？其实Unity并没有去做什么裁切工作，而是直接要求被投影的纹理的贴图的texture wrap mode使用"Clamp"，因为超出范围的uv坐标肯定是大于1或者小于0的，对于这些uv坐标值，默认是Repeat，就会采样到贴图中的颜色，而使用Clamp，则只会采样到Border的颜色。另外还需要勾选Border Mip Maps选项，这样纹理的边界就会在mipmap中保持不变。

然后绘制贴花，还需要一个特定的Shader, 例如这个：

// Upgrade NOTE: replaced '_Projector' with 'unity_Projector'
// Upgrade NOTE: replaced '_ProjectorClip' with 'unity_ProjectorClip'

Shader "Projector/Light" {
	Properties {
		_Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
		_ShadowTex ("Cookie", 2D) = "" {}
		_FalloffTex ("FallOff", 2D) = "" {}
	}
	
	Subshader {
		Tags {"Queue"="Transparent"}
		Pass {
			ZWrite Off
			ColorMask RGB
			Blend DstColor One
			Offset -1, -1
	
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			#pragma multi_compile_fog
			#include "UnityCG.cginc"
			
			struct v2f {
				float4 uvShadow : TEXCOORD0;
				float4 uvFalloff : TEXCOORD1;
				UNITY_FOG_COORDS(2)
				float4 pos : SV_POSITION;
			};
			
			float4x4 unity_Projector;
			float4x4 unity_ProjectorClip;
			
			v2f vert (float4 vertex : POSITION)
			{
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(vertex);
				o.uvShadow = mul (unity_Projector, vertex);
				o.uvFalloff = mul (unity_ProjectorClip, vertex);
				UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos);
				return o;
			}
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _ShadowTex;
			sampler2D _FalloffTex;
			
			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
			{
				fixed4 texS = tex2Dproj (_ShadowTex, UNITY_PROJ_COORd(i.uvShadow));
				texS.rgb *= _Color.rgb;
				texS.a = 1.0-texS.a;
	
				fixed4 texF = tex2Dproj (_FalloffTex, UNITY_PROJ_COORd(i.uvFalloff));
				fixed4 res = texS * texF.a;

				UNITY_APPLY_FOG_COLOR(i.fogCoord, res, fixed4(0,0,0,0));
				return res;
			}
			ENDCG
		}
	}
}

在vs中，通过unity_Projector矩阵变换顶点得到uv坐标uvShadow。
在fs中，使用 tex2Dproj采样这个uv坐标，因为矩阵相乘得到的uv坐标是一个齐次坐标，所以需要使用tex2Dproj。这个函数内部会除以uv坐标的w。使用uv坐标采样出贴图颜色后和材质的颜色混合后输出。

对于和投影体相交的物体都需要一个额外的pass去绘制。虽然Unity提供了一个Ignore Layers去按层指定要绘制的物体，但毕竟N个物体就会增加N个draw call。所以效率有些问题。针对这个问题，有一个优化的方法是通过深度图，只在一个draw call中去绘制一个投影体的所有贴花，下次再说。