视差贴图

什么是视差贴图

视差贴图（Parallax Mapping）是一种先进的纹理映射技术，用于在平面表面上模拟凹凸不平的立体效果。它通过根据观察角度和表面高度图（Height Map）来偏移纹理坐标，使得纹理的不同部分产生视差位移，从而营造出比法线贴图更加强烈的深度感。与法线贴图仅改变光照方向不同，视差贴图实际上改变了纹理采样的位置，因此在视角变化时，凸起区域会遮挡凹陷区域，效果更接近真实几何体。

基本原理

视差贴图的核心思想基于简单的几何关系。当观察者从侧面看一个带有高度的表面时，原本在纹理坐标中的点会因为高度而偏移。假设表面有一个高度场 h(u,v)，观察方向为 V，那么实际看到的点应该是从原始位置沿着 V 在表面上的投影偏移后的位置。为了简化计算，通常采用近似方法：根据高度 h 和视角的切平面分量，将纹理坐标向视角方向偏移一个量。公式为：

`offset = h * V.xy / V.z`

这种近似在高度变化平缓时效果很好，但在高度变化剧烈或视角非常倾斜时会产生扭曲。

常见类型与变体

基础视差贴图

最简单的形式，使用上述公式进行一次偏移。实现简单，性能开销低，但在陡峭角度下会出现明显的滑动和失真。

带偏移限制的视差贴图

为了减少失真，在偏移量上加上一个缩放因子，通常与视角的切平面夹角相关。这可以防止纹理坐标偏移过大导致的采样错误，但会减弱效果。

陡峭视差贴图（Steep Parallax Mapping）

通过将高度场分成多个层，沿着视线方向逐步采样高度图，找到第一个被遮挡的层，从而得到更精确的偏移。层数越多效果越好，但性能开销也越大。

浮雕视差贴图（Relief Parallax Mapping）

在陡峭视差贴图的基础上进一步细化，在找到的层之间进行插值，获得亚像素级的精确度。效果接近真实位移映射，但计算量较高。

视差遮蔽贴图（Parallax Occlusion Mapping，POM）

一种改进的陡峭视差贴图，通过线性插值或二分查找来精确确定视线与高度场的交点，能够产生自阴影和更准确的轮廓。POM 在现代游戏中广泛使用。

与法线贴图、位移贴图的对比

• **法线贴图**：改变光照计算的法线方向，但不改变纹理坐标，因此表面几何形状不变，没有视差位移。
• **视差贴图**：改变纹理采样坐标，使得纹理看起来有深度，但不改变几何表面，光照仍基于原始法线（除非结合法线贴图）。
• **位移贴图**：实际改变几何体的顶点位置，产生真实的凹凸，需要足够的顶点密度，性能开销最大。

视差贴图通常在片元着色器中实现，需要高度图，并且为了获得最佳效果通常与法线贴图结合使用。

优点与局限

**优点**：

• 相比位移贴图，无需额外几何体，性能开销较低。
• 能产生比法线贴图更真实的深度和视差效果。
• 适合表现砖墙、鹅卵石、雕刻表面等细节。

**局限**：

• 仍然是近似，在极端视角下可能出现扭曲或伪影。
• 表面轮廓边缘仍是平的，无法产生真实的轮廓变化。
• 需要额外的高度图，增加纹理内存和采样次数。
• 对于复杂的几何体，计算量可能较大，特别是 POM 等高级变体。

应用场景

视差贴图常用于游戏和实时渲染中，特别是需要表现细节凹凸的材质，如：

• 建筑墙面、砖块、石板路
• 科幻表面、机械面板
• 地形细节（如岩石、沙砾）
• 任何需要增强深度感的平面材质

在实现时，通常将高度信息存储在法线贴图的 Alpha 通道或单独的高度图中。现代游戏引擎（如 Unity、Unreal）内置了视差贴图或 POM 的支持。