【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

Lens Distortion 效果概述

Lens Distortion 是 Unity URP 後處理系統中的核心組件之一，用於模擬真實相機鏡頭的光學畸變現象。這種效果通過扭曲渲染畫面邊緣，能夠創造出桶形畸變（Barrel Distortion）或枕形畸變（Pincushion Distortion）等視覺效果，廣泛應用於電影感營造、科幻風格渲染或特殊 UI 反饋場景。

發展歷史

• ‌早期版本‌：Unity 內置渲染管線中，Lens Distortion 作為 Post-processing Stack 的獨立組件存在，需手動掛載到攝像機。
• ‌URP 整合‌：2019 年後，Unity 將後處理系統重構為 Volume 框架，Lens Distortion 成為 URP/HDRP 的標準後處理效果，通過 Volume Profile 配置。
• ‌功能擴展‌：URP 版本增加了軸向獨立控制（X/Y Multiplier）和中心點偏移（Center）功能，支持更精細的藝術化調整。

原理

Lens Distortion 在 URP 中的實現基於‌UV座標變換算法‌，核心是通過數學函數對屏幕空間UV座標進行非線性偏移。

‌畸變數學模型‌

採用多項式畸變模型（Brown-Conrady模型簡化版），通過以下公式計算UV偏移量：

offset = (r² Intensity) + (r⁴ 高階項)

其中r為像素到屏幕中心的距離，Intensity控制畸變曲率。URP 通過Shader中的pow函數實現該計算，X/Y Multiplier 分別控制水平/垂直方向的權重。

‌渲染管線集成‌

在URP的Post-processing Stack中，畸變效果通過FullScreenPassRendererFeature實現。具體流程為：

• 攝像機渲染完成後，將顏色緩衝區傳入後處理Shader
• Shader對每個像素應用畸變公式，採樣原始紋理時使用偏移後的UV座標
• 通過Scale參數裁剪邊緣無效區域，防止採樣越界。

‌GPU優化策略‌

URP 使用單通道（Single-Pass）計算，將畸變與色差（Chromatic Aberration）合併處理以減少採樣次數。中心點偏移（Center）通過修改r的計算基準實現，避免額外分支指令。

完整實現示例

關鍵實現點：

• DistortUV函數實現桶形/枕形畸變的核心算法，通過距離平方控制變形強度
• _Center參數允許動態調整畸變中心點，用於特殊構圖需求
• _Scale參數補償邊緣撕裂，通過全局縮放隱藏無效採樣區域

• LensDistortion.shader

  Shader "Hidden/Universal Render Pipeline/LensDistortion"
  {
      HLSLINCLUDE
      // 畸變計算函數
      float2 DistortUV(float2 uv, float intensity, float2 center, float scale) 
      {
          float2 dir = uv - center;
          float r2 = dot(dir, dir); // 距離平方
          float distortion = 1.0 + r2 * intensity;
          return center + dir * distortion * scale;
      }
  
      // 主片段着色器
      half4 Frag(Varyings input) : SV_Target
      {
          float2 distortedUV = DistortUV(input.uv, _Intensity, _Center, _Scale);
          return SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, distortedUV);
      }
      ENDHLSL
  }

實際應用場景

• ‌VR鏡頭校正‌

  通過負值Intensity(-0.15~-0.3)和精確的X/Y Multiplier調整，補償VR頭顯的光學畸變。

• ‌電影化風格‌

  組合使用Intensity=0.2與色差效果，模擬老式鏡頭的視覺缺陷。

• ‌動態衝擊波‌

  運行時動態修改Intensity從0到-0.5再歸零，創造爆炸衝擊波的畫面扭曲效果

參數詳解與用例

URP 實現流程示例

環境準備：

• 創建URP項目，安裝"Universal RP"和"Post Processing"包
• 在URP Asset中啓用Post-Processing

Volume配置：

• 場景中創建空對象，添加Volume組件
• 新建Volume Profile，點擊Add Override > Post-processing > Lens Distortion
• 調整參數如：Intensity=-0.4, Scale=0.85

攝像機設置：

• 主攝像機添加Volume組件並關聯相同Profile
• 啓用Post Processing選項

實際應用場景

• ‌科幻界面‌：配合高負值Intensity(-0.8)和色差效果，創造全息投影的扭曲感
• ‌鏡頭轉場‌：動態調整Intensity從0到-0.5，模擬鏡頭衝擊效果
• ‌VR適配‌：通過微調X/Y Multiplier補償頭顯光學畸變（需自定義Shader實現）

‌性能提示‌：移動端建議保持Intensity絕對值≤0.3，避免過度消耗GPU資源

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