Unity Shader中各种空间及变换方法
发表于2018-09-06
对于基础知识点的掌握是开发人员必备技能，本篇文章和大家分享的是shader相关的知识点，关于各种空间及之间转换的方法。
一、模型空间-世界空间-观察空间-裁剪空间
建模时在模型空间进行，模型自带的坐标均为模型空间下的表示。
当模型被放到世界坐标系中时，表达某个模型的位置使用的是世界空间下的坐标，所以模型上对应的某一个点，必须相应的转化为世界空间下的坐标。
从模型空间到世界空间的变换 叫做 模型变换。
Unity的Shader中，模型空间的坐标由Renderer直接提供，作为顶点着色器的输入，语义为POSITION。如：
struct appdata
｛
float4 vertex : POSITION;
｝
由于我们能看到的渲染图像均是通过摄像机得到的，为了方便后续裁剪、投影等操作，所以在将模型从模型空间变换到世界空间之后，还需要将其转换到观察空间。所谓的观察空间，就是以摄像机位置为原点，摄像机局部坐标轴为坐标轴的坐标系。
从世界空间到观察空间的变换叫做观察变换（视图变换）。
坐标转换到观察空间后，由于直接使用摄像机的平截头体进行裁剪比较复杂（平截头体的边界方程求交困难），所以需要将其转化到裁剪空间。裁剪空间变换的思路是，对平截头体进行缩放，使近裁剪面和远裁剪面变成正方形，使坐标的w分量表示裁剪范围，此时，只需要简单的比较x,y,z和w分量的大小即可。
从观察空间到裁剪空间的变换叫做投影变换。
注意，虽然叫做投影变换，但是投影变换并没有进行真正的投影。
在顶点着色器中，模型、观察、裁剪空间的相关变换矩阵一般为以下几个：
| 别名 | 定义 | 含义 |
| UNITY_MATRIX_M | unity_ObjectToWorld | 模型变换矩阵 |
| UNITY_MATRIX_V | unity_MatrixV | 视图变换矩阵 |
| UNITY_MATRIX_P | glstate_matrix_projection | 投影变换矩阵 |
| UNITY_MATRIX_VP | unity_MatrixVP | 视图投影变换矩阵 |
| UNITY_MATRIX_MV | mul(unity_MatrixV, unity_ObjectToWorld) | 模型视图变换 |
| UNITY_MATRIX_MVP | mul(unity_MatrixVP, unity_ObjectToWorld) | 模型视图投影变换 |
注意，最新版本中（笔者用的是Unity5.6.3p4），官方建议将坐标点从模型空间转换到裁剪空间时，应使用UnityObjectToClipPos方法，该方法内部定义为：
mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(unity_ObjectToWorld, float4(pos, 1.0));
上述方法比起下面的顺序更有效率。
mul(UNITY_MATRIX_MVP, appdata.vertex);
在定点着色器中，输出即为裁剪空间下的坐标。
二、屏幕空间
经过裁剪操作之后，我们需要将裁剪空间的坐标投影到屏幕空间。
这里主要分成两个步骤：
1.齐次除法
使用xyz分别处以w分量，得到NDC（归一化设备坐标），经过这一步，能够看到的坐标点变成了一个xy边长为1，z为-1到1的立方体。
2.屏幕映射
使用NDC坐标和屏幕长宽像素直接映射，得到屏幕空间下的xy坐标。注意，虽然屏幕空间没有深度，但屏幕空间下的坐标仍然保留了z的深度值，可以进行深度检测或其他处理。
从裁剪空间到屏幕空间由unity直接进行。这里还要记住，从裁剪空间到屏幕空间，插值是硬件直接进行的。
之后我们从像素着色器中获得的语义为SV_POSITION的输入，其坐标基本没有太多用处了。
如果希望获得此时的屏幕坐标，可以使用VPOS或者WPOS，在Unity中，这两者同义。当然，使用上述语义需要
#pragma target 3.0
VPOS中的xy代表屏幕空间中的像素坐标，注意，这里的像素坐标是中心点坐标，不是整数，如屏幕分辨率为400*300，则x的范围为[0.5, 400.5]，y的范围为[0.5, 300.5]。z的范围为[0, 1]，0是近裁剪面，1是远裁剪面。w的范围需要根据摄像机投影类型划分，如果是透视投影，则其范围为[1/near，1/far]，如果是正交投影，则恒为1。
这里还需要注意的是，如果使用VPOS或者WPOS作为fs的输入，就无法同时使用SV_POSITION作为输入，所以vs和fs需要写成如下方式：
Shader "Unlit/Screen Position"
｛
Properties
｛
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" ｛｝
｝
SubShader
｛
Pass
｛
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma target 3.0
// note: no SV_POSITION in this struct
struct v2f ｛
float2 uv : TEXCOORD0;
｝;
v2f vert (
float4 vertex : POSITION, // vertex position input
float2 uv : TEXCOORD0, // texture coordinate input
out float4 outpos : SV_POSITION // clip space position output
)
｛
v2f o;
o.uv = uv;
outpos = UnityObjectToClipPos(vertex);
return o;
｝
sampler2D _MainTex;
fixed4 frag (v2f i, UNITY_VPOS_TYPE screenPos : VPOS) : SV_Target
｛
// screenPos.xy will contain pixel integer coordinates.
// use them to implement a checkerboard pattern that skips rendering
// 4x4 blocks of pixels
// checker value will be negative for 4x4 blocks of pixels
// in a checkerboard pattern
screenPos.xy = floor(screenPos.xy * 0.25) * 0.5;
float checker = -frac(screenPos.r + screenPos.g);
// clip HLSL instruction stops rendering a pixel if value is negative
clip(checker);
// for pixels that were kept, read the texture and output it
fixed4 c = tex2D (_MainTex, i.uv);
return c;
｝
ENDCG
｝
｝
｝
摄像机和屏幕相关常用的内置变量如下表所示。
| 别名 | 类型 | 含义 |
| _WorldSpaceCameraPos | float3 | |
| _ProjectionParams | float4 | |
| _ScreenParams | float4 | |
| _ZBufferParams | float4 | |
| unity_OrthoParams | float4 | |
| unity_CameraProjection | float4x4 | |
| unity_CameraInvProjection | float4x4 | |
| unity_CameraWroldClipPlanes[6] | float4 |
三、视口空间
熟悉OpenGL编程的同学都知道gl接口有一个glViewport，该接口其实就是确定视口空间。视口空间是一个将屏幕坐标对应到(0, 0)到(1, 1)范围内的空间。
如果想得到视口空间坐标，则可以通过下面两种方法。
fixed4 frag(float4 sp : VPOS) : SV_Target ｛
return fixed(sp.xy/_ScreenParams.xy, 0.0, 1.0);
｝
这里的_ScreenParams中保存了屏幕分辨率。
另一种方法如下：
struct vertOut ｛
float4 pos : SV_POSITION;
float4 srcPos : TEXCOORD0;
｝;
vertOut vert(appdata_base v) ｛
vertOut o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.srcPos = ComputeScreenPos(o.pos);
return o;
｝
fixed4 frag(vertOut i) : SV_Target ｛
float2 wcoord = (i.srcPos.xy/i.scrPos.w);
return fixed4(wcoord, 0.0, 1.0);
｝
这里，ComputeScreenPos并没有直接进行透视除法，原因是插值是线性的，必须在透视除法之后进行，所以，我们必须在fs中手动进行。