Unity Shader 内置矩阵

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mul函数

mul函数,Z = mul(M, V)是表示矩阵M和向量V进行点乘,得到一个向量Z,这个向量Z就是对向量V进行矩阵变换后得到的值。 
特别需要注意的是,例如normal是float3类型的,点乘的矩阵也要转换成float3x3。

float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);

矩阵

内置的矩阵(float4x4):

名称 说明
UNITY_MATRIX_MVP 当前模型视图投影矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从模型空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_MV 当前模型视图矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从模型空间转换到视角(相机)空间
UNITY_MATRIX_V 当前视图矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从世界空间转换到视角(相机)空间
UNITY_MATRIX_P 当前的投影矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从视角(相机)空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_VP 当前视图投影矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从世界空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_T_MV UNITY_MATRIX_MV模型视图矩阵的转置
UNITY_MATRIX_IT_MV 模型视图矩阵的逆转置,通常用于把法线从模型空间转换到视角(相机)空间
unity_ObjectToWorld 当前模型转空间矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从模型空间转换到世界空间
unity_WorldToObject 当前世界转模型矩阵,通常用于把顶点/方向矢量从世界空间转换到模型空间

1. 这里要特别说明一下UnityObjectToClipPos(v.vertex)) 方法,官方网站上说明,编写着色器脚本时,请始终使用UnityObjectToClipPos(v.vertex)而不是mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex),因为所有内建的矩阵名字在Instanced Shader中都是被重定义过的,如果直接使用UNITY_MATRIX_MVP,会引入一个额外的矩阵乘法运算,所以推荐使用UnityObjectToClipPos / UnityObjectToViewPos函数,它们会把这一次额外的矩阵乘法优化为向量-矩阵乘法。

2. UNITY_MATRIX_IT_MV的使用场景,专门针对法线进行变换。但是为什么法线的变换和顶点不一样呢?

之所以法线不能直接使用UNITY_MATRIX_MV进行变换,是因为法线是向量,具有方向,在进行空间变换的时候,如果发生非等比缩放,方向会发生偏移。为什么呢?举个栗子,我们可以简单的把法线和切线当成三角形的两条边,显然,三角形在空间变换的时候,不管是平移,还是旋转,或者是等比缩放,都不会变形,但是如果非等比缩放,就会发生拉伸。所以法线和切线的夹角也就会发生变化。(而切线在变换前后,方向总是正确的,所以法线方向就不正确了)。下图,T、T'是切线,N、N'是法线

经过非等比缩放后

3.UnityObjectToWorldDir() 与 UnityObjectToWorldNormal()的区别

第一个原图,红色箭头表示法线。第二张图,表示非等比缩放,使用UnityObjectToWorldDir(),把法线从模型空间转换到世界空间,法线也会被压扁并且不再垂直于曲面。第三张图,表示非等比缩放,使用UnityObjectToWorldNormal(),把法线从模型空间转换到世界空间,法线是正确的垂直于曲面的。

当等比缩放时,使用UnityObjectToWorldDir()和UnityObjectToWorldNormal()得到的结果是一样的。

渲染流水线中顶点的空间变换过程

模型空间——>世界空间——>视角(相机)空间——>裁剪空间——>屏幕空间

1. 模型空间:每个模型都有自己独立的坐标空间,当它移动或旋转时,模型空间也会跟着它移动或旋转。

模型空间——>世界空间的变换矩阵:unity_Object2World

2. 世界空间:如果一个Transform没有任何父节点,那么这个位置就是在世界空间中的位置。

世界空间——>视角(相机)空间的变换矩阵:UNITY_MATRIX_V

3. 视角(相机)空间:摄像机决定了我们渲染游戏所使用的视角。

视角(相机)空间——>裁剪空间的变换矩阵:UNITY_MATRIX_P

4. 裁剪空间:目的是能够方便的对渲染图元进行裁剪,完全位于视锥体空间内部的图元被保留,完全位于这块空间外部的图元被剔除,而这块空间边界相交的图元就会被裁剪。视锥体有两种类型:正交投影和透视投影。在使用视锥体进行裁剪时,那么不同的视锥体就需要不同的处理过程。因此,提出了一种通用、方便的方式来裁剪,就是通过一个投影矩阵把顶点转换到一个裁剪空间中。

在Unity中,从裁剪空间到屏幕空间的转换是由Unity底层帮我们完成的。

5. 屏幕空间:屏幕空间是一个二维空间,因此我们需要把顶点从裁剪空间投影到屏幕空间中,来生成对应的2D坐标。首先,用裁剪空间的x、y、z分量除以w分量,把坐标从裁剪空间转换到归一化的设备坐标(NDC,一个立方体)中。然后,再映射到屏幕空间中,确定顶点在屏幕空间的像素位置。

在顶点着色器中,通过UNITY_MATRIX_MVP 这个矩阵,可以把物体的顶点从模型空间转换到裁剪空间。

相机

名称 类型 数值
_WorldSpaceCameraPos float3 世界空间相机的位置
_ProjectionParams float4 x = 1.0(或如果当前使用翻转投影矩阵渲染则为-1.0),y是相机的近平面,z是相机的远平面,w是1 / FarPlane
_ScreenParams float4 x是相机的渲染目标在像素里的宽度,y是相机的渲染目标在像素里的高度,z是1.0 + 1.0 /宽度和w是1.0 + 1.0 /高度
_ZBufferParams float4 用于线性化Z缓冲区的值。x(1-far /near),y(far/near)、z(x /far)和w(y /far)
unity_OrthoParams float4 x是正交的相机的宽度,y是正交的相机的高度,z是未使用的,为正交的相机时w为1.0,透视相机时w为0.0
unity_CameraProjection float4x4 摄像机的投影矩阵
unity_CameraInvProjection float4x4 摄像机的投影矩阵的逆矩阵
unity_CameraWorldClipPlanes[6] float4 相机锥平面世界空间方程,按顺序为:左、右、底部、顶部、近、远

光照

名称 类型 数值
_LightColor0(Lighting.cginc中声明) fixed4 光照颜色
_worldspacelightpos0 float4 方向光:(世界空间方向,0)。其他光:(世界空间位置,1)
_LightMatrix0(AutoLight.cginc声明) float4x4 world-to-light矩阵。用于样品cookie 和衰减纹理
unity_4LightPosX0、unity_4LightPosY0 unity_4lightposz0 float4 (仅ForwardBase通道)前四个不重要的点光源的世界空间坐标
unity_4lightatten0 float4 (仅ForwardBase通道)前四个不重要的点光源的衰减系数
unity_lightcolor half4[4] (仅ForwardBase通过)前四个不重要的点光源的颜色数组

在Shader的光照通道里的延迟着色和延迟光照(在unitydeferredlibrary.cginc):

名称 类型 数值
_LightColor float4 光照颜色
_LightMatrix0 float4x4 world-to-light矩阵。用于样品cookie 和衰减纹理

多光源下,最多8个光源在顶点通道,排序为从最亮的开始

名称 类型 数值
unity_LightColor half4[8] 光照颜色数组
unity_LightPosition float4[8] 视图空间光源的位置。方向光源的坐标是(-方向,0);(位置,1)用于点/点指示灯,点光源,聚光灯的坐标是(位置,1)
unity_LightAtten half4[8] 光源衰减的系数。X是cos(spotAngle/2)或非聚光灯为-1;Y为1/COS(spotangle / 4)或非聚光灯为-1;Z是衰减的二次方;W是正方形光源的范围
unity_SpotDirection float4[8] 视图空间聚光灯的位置;(0,0,1,0)则非聚光灯。

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