【URP】Unity[后处理]镜头畸变LensDistortion

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Lens Distortion 效果概述

Lens Distortion 是 Unity URP 后处理系统中的核心组件之一，用于模拟真实相机镜头的光学畸变现象。这种效果通过扭曲渲染画面边缘，能够创造出桶形畸变（Barrel Distortion）或枕形畸变（Pincushion Distortion）等视觉效果，广泛应用于电影感营造、科幻风格渲染或特殊 UI 反馈场景。

发展历史

• ‌早期版本‌：Unity 内置渲染管线中，Lens Distortion 作为 Post-processing Stack 的独立组件存在，需手动挂载到摄像机。
• ‌URP 整合‌：2019 年后，Unity 将后处理系统重构为 Volume 框架，Lens Distortion 成为 URP/HDRP 的标准后处理效果，通过 Volume Profile 配置。
• ‌功能扩展‌：URP 版本增加了轴向独立控制（X/Y Multiplier）和中心点偏移（Center）功能，支持更精细的艺术化调整。

原理

Lens Distortion 在 URP 中的实现基于‌UV坐标变换算法‌，核心是通过数学函数对屏幕空间UV坐标进行非线性偏移。

‌畸变数学模型‌

采用多项式畸变模型（Brown-Conrady模型简化版），通过以下公式计算UV偏移量：

offset = (r² * Intensity) + (r⁴ * 高阶项)

其中r为像素到屏幕中心的距离，Intensity控制畸变曲率。URP 通过Shader中的pow函数实现该计算，X/Y Multiplier 分别控制水平/垂直方向的权重。

‌渲染管线集成‌

在URP的Post-processing Stack中，畸变效果通过FullScreenPassRendererFeature实现。具体流程为：

• 摄像机渲染完成后，将颜色缓冲区传入后处理Shader
• Shader对每个像素应用畸变公式，采样原始纹理时使用偏移后的UV坐标
• 通过Scale参数裁剪边缘无效区域，防止采样越界。

‌GPU优化策略‌

URP 使用单通道（Single-Pass）计算，将畸变与色差（Chromatic Aberration）合并处理以减少采样次数。中心点偏移（Center）通过修改r的计算基准实现，避免额外分支指令。

完整实现示例

关键实现点：

• DistortUV函数实现桶形/枕形畸变的核心算法，通过距离平方控制变形强度

• _Center参数允许动态调整畸变中心点，用于特殊构图需求

• _Scale参数补偿边缘撕裂，通过全局缩放隐藏无效采样区域

• LensDistortion.shader

  Shader "Hidden/Universal Render Pipeline/LensDistortion"
  {
      HLSLINCLUDE
      // 畸变计算函数
      float2 DistortUV(float2 uv, float intensity, float2 center, float scale) 
      {
          float2 dir = uv - center;
          float r2 = dot(dir, dir); // 距离平方
          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
  }
  

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实际应用场景

• ‌VR镜头校正‌

  通过负值Intensity(-0.15~-0.3)和精确的X/Y Multiplier调整，补偿VR头显的光学畸变。

• ‌电影化风格‌

  组合使用Intensity=0.2与色差效果，模拟老式镜头的视觉缺陷。

• ‌动态冲击波‌

  运行时动态修改Intensity从0到-0.5再归零，创造爆炸冲击波的画面扭曲效果

参数详解与用例

参数	含义	典型用例
Intensity	畸变总强度（负值为桶形畸变，正值为枕形畸变）	-0.3 模拟广角镜头，+0.2 营造电影质感12
X/Y Multiplier	分别控制水平/垂直轴向的畸变强度（0 为禁用该轴）	X=1/Y=0.5 实现水平拉伸的鱼眼效果2
Center	畸变中心点坐标（0-1 范围）	(0.5, 0.6) 模拟仰拍镜头的透视畸变26
Scale	全局画面缩放补偿畸变边缘撕裂	高强度畸变时设为 0.8-0.9 保持画面完整14

URP 实现流程示例

环境准备：

• 创建URP项目，安装"Universal RP"和"Post Processing"包
• 在URP Asset中启用Post-Processing

Volume配置：

• 场景中创建空对象，添加Volume组件
• 新建Volume Profile，点击Add Override > Post-processing > Lens Distortion
• 调整参数如：Intensity=-0.4, Scale=0.85

摄像机设置：

• 主摄像机添加Volume组件并关联相同Profile
• 启用Post Processing选项

实际应用场景

• ‌科幻界面‌：配合高负值Intensity(-0.8)和色差效果，创造全息投影的扭曲感
• ‌镜头转场‌：动态调整Intensity从0到-0.5，模拟镜头冲击效果
• ‌VR适配‌：通过微调X/Y Multiplier补偿头显光学畸变（需自定义Shader实现）

‌性能提示‌：移动端建议保持Intensity绝对值≤0.3，避免过度消耗GPU资源

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