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title: 正交投影混合
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date: 2026-05-03 00:00:00
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excerpt: OrthoBlend 透视校正技术，实现动画风格的透视扁平化效果
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tags:
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- ARC
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- Rendering
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- VertexFactory
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- Toon
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rating: ⭐
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# 正交投影混合
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返回 [[Rendering]]
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## 概述
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正交投影混合（OrthoBlend）是 ARC 引擎实现**动画风格透视扁平化**的核心技术。在动画/格斗游戏中，角色需要减少透视畸变以保持美术控制的外观，这通过在透视投影和正交投影之间进行混合来实现。
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引擎提供了两个版本：
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- **V1** (`USES_ORTHO_BLEND_POSITION`)：简单的 X 轴正交混合
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- **V2** (`USES_ORTHO_BLEND_POSITION2`)：基于物体中心距离的全透视校正（"Purse correction"）
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## 实现细节
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### V1：X 轴正交混合
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在 `Common.ush` 中定义：
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```hlsl
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float4 GetOrthoBlendPosition(
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float4 WorldPosition,
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float4x4 ViewProjectionMatrix,
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float weight)
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{
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float4 ScreenPosition = mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
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// 计算正交投影的 X 坐标
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float OrthoScreenPositionX = dot(
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ResolvedView.OrthoViewProjectionX, WorldPosition);
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// 在透视和正交之间混合 X 轴
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ScreenPosition.x = lerp(
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ScreenPosition.x,
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OrthoScreenPositionX * ScreenPosition.w,
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weight * ResolvedView.OrthoBlendParameter);
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return ScreenPosition;
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}
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```
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`OrthoBlendParameter` 从 C++ 端通过 `ViewUniformShaderParameters` 传入，全局控制混合强度。`weight` 来自材质属性 `MP_OrthoBlendWeight`，允许逐材质控制。
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### V2：全透视校正
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```hlsl
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float4 GetOrthoBlendPosition2(
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float4 WorldPosition,
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float4x4 ViewProjectionMatrix,
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float weight,
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float3 ObjWorldPosition)
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{
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// 计算顶点相对于物体中心的偏移
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float3 offset = WorldPosition.xyz - ObjWorldPosition.xyz;
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// 物体中心到相机的距离（沿视线方向）
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float dist = abs(dot(
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ObjWorldPosition.xyz - ResolvedView.WorldCameraOrigin.xyz,
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ResolvedView.ViewForward.xyz));
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// 将顶点"拍平"到与物体中心相同距离的平面
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float3 origin = ResolvedView.WorldCameraOrigin.xyz
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+ ResolvedView.ViewForward.xyz * dist;
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WorldPosition.xy = origin.xy + offset.xy;
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// ... 后续投影变换
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}
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```
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V2 的原理：将所有顶点投影到与物体中心等距的平面上，消除了前后肢体因透视导致的大小差异。
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### 全 VertexFactory 覆盖
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两个版本均在所有顶点着色器中实现：
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| 顶点着色器 | 文件 |
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|-----------|------|
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| BasePass | `BasePassVertexShader.usf` |
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| DepthOnly | `DepthOnlyVertexShader.usf` |
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| PositionOnlyDepth | `PositionOnlyDepthVertexShader.usf` |
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| HitProxy | `HitProxyVertexShader.usf` |
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| DebugViewMode | `DebugViewModeVertexShader.usf` |
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覆盖的 VertexFactory：
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- `LocalVertexFactory.ush`
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- `GpuSkinVertexFactory.ush`
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- `LandscapeVertexFactory.ush`
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- `MeshParticleVertexFactory.ush`
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- 所有 Particle VertexFactory
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## 材质属性
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通过 `MP_OrthoBlendWeight` 材质属性控制每个材质的混合权重：
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```cpp
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// MaterialTemplate.ush
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float GetMaterialOrthoBlendWeight(FMaterialVertexParameters Parameters)
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{
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%s; // 由材质图生成
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}
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```
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## C++ 端支持
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- `SceneRendering.cpp`：计算 `OrthoBlendParameter` 并写入 ViewUniformBuffer
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- `SceneTypes.h`：`MP_OrthoBlendWeight` 枚举值
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- `HLSLMaterialTranslator.cpp`：材质编译支持
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## 关联文档
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- [[自定义材质属性]] — `MP_OrthoBlendWeight` 的定义
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- [[屏幕对齐网格]] — 另一种屏幕空间变换方案
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- [[局部位置缩放]] — 局部空间的顶点变换
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## 完整代码解析
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### Common.ush — V1：X轴正交混合
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```hlsl
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// ASW Change : 2016/03/29 11:30:55 Takuro.K
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// V1：X轴正交混合
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// 在透视投影的X轴坐标和正交投影的X轴坐标之间做 lerp
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// weight 来自材质属性 MP_OrthoBlendWeight
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// ResolvedView.OrthoBlendParameter 是全局混合强度
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float4 GetOrthoBlendPosition( float4 WorldPosition, float4x4 ViewProjectionMatrix, float weight )
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{
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#if USES_ORTHO_BLEND_POSITION
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float4 ScreenPosition = mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
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// 用正交投影矩阵的X行点乘世界坐标，得到正交投影下的X坐标
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float OrthoScreenPositionX = dot(ResolvedView.OrthoViewProjectionX, WorldPosition);
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// 在透视X和正交X之间混合
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// 注意乘以 ScreenPosition.w 是为了从 NDC 空间转回裁剪空间
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ScreenPosition.x = lerp(
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ScreenPosition.x, // 透视X
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OrthoScreenPositionX * ScreenPosition.w, // 正交X（转回裁剪空间）
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weight * ResolvedView.OrthoBlendParameter ); // 混合权重
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return ScreenPosition;
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#else
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return mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
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#endif
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}
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```
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### Common.ush — V2：全透视校正（"Purse correction"）
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```hlsl
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// ASW Change : 2019/01/11 13:53:00 Takeshi.N
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// V2：全透视校正（"Purse correction"）
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// 原理：将所有顶点投影到与物体中心等距的平面上
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// 消除前后肢体因透视导致的大小差异
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float4 GetOrthoBlendPosition2( float4 WorldPosition, float4x4 ViewProjectionMatrix,
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float weight, float3 ObjWorldPosition )
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{
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#if USES_ORTHO_BLEND_POSITION2
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#if PARTICLE_FACTORY && !PARTICLE_MESH_FACTORY
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// 非网格粒子不做透视校正，直接返回标准投影
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return mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
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#else
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// 保存原始裁剪空间位置（用于最终 lerp）
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float4 ClipSpacePositionOrigin = mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
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// 计算顶点相对于物体中心的偏移
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float3 offset = WorldPosition.xyz - ObjWorldPosition.xyz;
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// 物体中心到相机的距离（沿视线方向的投影距离）
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float dist = abs(dot(
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ObjWorldPosition.xyz - ResolvedView.WorldCameraOrigin.xyz,
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ResolvedView.ViewForward.xyz));
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// 在视线方向上，距离相机 dist 处的点
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float3 origin = ResolvedView.WorldCameraOrigin.xyz
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+ ResolvedView.ViewForward.xyz * dist;
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// 关键步骤：将顶点XY"拍平"到与物体中心等距的平面
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||
// 这样所有顶点在相机方向上的距离相同，消除透视缩放差异
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WorldPosition.xy = origin.xy + offset.xy;
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float4 ClipSpacePosition = mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
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// X轴补偿：物体中心可能不在视线正前方
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// 需要补偿因"拍平"导致的X轴偏移
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float4x1 VPM_X = float4x1( ViewProjectionMatrix._11_21_31_41 );
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float x1 = mul(float4(origin, 1), VPM_X); // "拍平"参考点的X
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float x2 = mul(float4(ObjWorldPosition, 1), VPM_X); // 物体中心的X
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ClipSpacePosition.x += ClipSpacePosition.w * (x2 - x1) / dist;
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// 根据全局参数和材质权重，在原始位置和校正位置之间混合
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// step(0.01, weight) 确保 weight 接近0时完全不应用校正
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return lerp( ClipSpacePositionOrigin, ClipSpacePosition,
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ResolvedView.OrthoBlendParameter * step(0.01, weight) );
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||
#endif
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||
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#else
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return mul(WorldPosition, ViewProjectionMatrix);
|
||
#endif
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}
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```
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### BasePassVertexShader.usf — 调用逻辑
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```hlsl
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// BasePassVertexShader.usf 中的调用逻辑
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// 按优先级选择：V2 > V1 > 原始投影
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#if USES_ORTHO_BLEND_POSITION2
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// V2 透视校正：传入物体世界坐标作为参考点
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ClipSpacePosition = GetOrthoBlendPosition2(
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||
RasterizedWorldPosition,
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ResolvedView.TranslatedWorldToClip,
|
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GetMaterialOrthoBlendWeight( VertexParameters ), // 材质图中设置的权重
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GetActorWorldPosition(VertexParameters.PrimitiveId) // 物体世界坐标
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);
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#elif USES_ORTHO_BLEND_POSITION
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// V1 简单X轴混合
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ClipSpacePosition = GetOrthoBlendPosition(
|
||
RasterizedWorldPosition,
|
||
ResolvedView.TranslatedWorldToClip,
|
||
GetMaterialOrthoBlendWeight( VertexParameters )
|
||
);
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||
#else
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||
// 原始透视投影
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ClipSpacePosition = INVARIANT(mul(RasterizedWorldPosition, ResolvedView.TranslatedWorldToClip));
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||
#endif
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```
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### C++ 端实现
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```cpp
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// SceneRendering.cpp — 正交投影混合参数计算
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// ASW Change : 2016/03/29 Takuro.K
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// 计算正交投影矩阵的 X 行（用于 Shader 中 dot 计算正交 X 坐标）
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static FVector4 CalcOrthoBlendParameter(
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const FViewMatrices& ViewMatrices,
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const FMatrix& EffectiveTranslatedViewMatrix)
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{
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const FVector2D FOVTheta = ViewMatrices.ComputeHalfFieldOfViewPerAxis();
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float distance = ViewMatrices.GetOrthoBlendBaseDistance();
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float w = distance * FMath::Tan(FOVTheta.X);
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float h = distance * FMath::Tan(FOVTheta.Y);
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// 构建正交投影矩阵，提取 X 行
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const FMatrix orthoMat = FOrthoMatrix(w, h, 0, 1);
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const FMatrix ViewOrthoMatrix = EffectiveTranslatedViewMatrix * orthoMat;
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return FVector4(
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ViewOrthoMatrix.M[0][0],
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||
ViewOrthoMatrix.M[1][0],
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ViewOrthoMatrix.M[2][0],
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||
ViewOrthoMatrix.M[3][0]);
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||
}
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// 计算混合权重（基于相机朝向的衰减）
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static float CalcOrthoBlendWeight(
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const FViewMatrices& ViewMatrices,
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||
const FMatrix& EffectiveTranslatedViewMatrix)
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{
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float weight = ViewMatrices.GetOrthoBlendWeight();
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// 相机正面朝向时权重最大，侧面时衰减
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float face = ViewMatrices.GetOrthoBlendBaseRot()
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.RotateVector(FVector(1, 0, 0)).X;
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if (weight < 1.0f)
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{
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static const float THRESHOLD_MIN = 0.995f;
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static const float RANGE = 1.0f - THRESHOLD_MIN;
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face = FMath::Max((face - THRESHOLD_MIN) / RANGE, 0.0f);
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||
weight *= face * face; // 平方衰减
|
||
}
|
||
return weight;
|
||
}
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```
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```cpp
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// SceneRendering.cpp — 写入 ViewUniformShaderParameters
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ViewUniformShaderParameters.OrthoViewProjectionX =
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CalcOrthoBlendParameter(ViewMatrices, TranslatedViewMatrix);
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ViewUniformShaderParameters.OrthoBlendParameter =
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CalcOrthoBlendWeight(ViewMatrices, TranslatedViewMatrix);
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```
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## 代码修改情况
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| 文件路径 | 行号 | 修改类型 | 修改内容 |
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| `Shaders/Private/Common.ush` | L1739~L1758 | 新增 | `GetOrthoBlendPosition` V1 X轴正交混合函数 |
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| `Shaders/Private/Common.ush` | L1761~L1800 | 新增 | `GetOrthoBlendPosition2` V2 全透视校正函数 |
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| `Shaders/Private/BasePassVertexShader.usf` | L94~L114 | 新增 | V2/V1 投影分支调用逻辑 |
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| `Shaders/Private/DepthOnlyVertexShader.usf` | L152~L220 | 新增 | 同上（DepthOnly Pass） |
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| `Shaders/Private/PositionOnlyDepthVertexShader.usf` | L49~L59 | 新增 | 同上（PositionOnlyDepth） |
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| `Shaders/Private/HitProxyVertexShader.usf` | L147~L169 | 新增 | 同上（HitProxy Pass） |
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||
| `Shaders/Private/DebugViewModeVertexShader.usf` | L162~L219 | 新增 | 同上（DebugViewMode Pass） |
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| `Shaders/Private/MaterialTemplate.ush` | L2235~L2240 | 新增 | `GetMaterialOrthoBlendWeight` 材质访问函数 |
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| `Source/Runtime/Renderer/Private/SceneRendering.cpp` | L1014~L1067 | 新增 | `CalcOrthoBlendParameter` / `CalcOrthoBlendWeight` 函数 |
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| `Source/Runtime/Renderer/Private/SceneRendering.cpp` | L1717~L1758 | 新增 | 写入 `ViewUniformShaderParameters` OrthoBlend 参数 |
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