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Unity Shader 的坐标空间转换（图解）

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#Unity#Shader#坐标空间#矩阵

这篇小笔记主要是把 Unity Shader 里的坐标空间关系 用一张图梳理出来， 方便记忆模型空间、世界空间、观察空间、裁剪空间之间的转换， 以及对应的 Unity 内置矩阵与宏。

坐标空间关系概览

从模型导入到最终显示在屏幕上，顶点通常会经历以下几个空间：

  • 模型空间（Model / Object / Local Space）：模型自带的局部坐标系。
  • 世界空间（World Space）：把所有物体放到同一世界坐标系后的位置。
  • 观察空间（View / Camera Space）：以相机为原点、相机方向为轴的坐标系。
  • 裁剪空间（Clip Space）：应用投影矩阵后的空间，用于裁剪视锥体外的内容。

示意图大致如下：

模型空间 → 世界空间 → 观察空间 → 裁剪空间

最下方可以理解为「从模型空间一步步乘上 M、V、P 矩阵， 最后得到可以送去做裁剪和投影的裁剪空间坐标」。

常用矩阵与 Unity 内置宏

在 Unity 中，常用的几个矩阵含义可以简要整理如下：

  • 模型到世界（M）：unity_ObjectToWorld / UNITY_MATRIX_M
  • 世界到观察（V）：unity_MatrixV / UNITY_MATRIX_V
  • 观察到裁剪（P）：glstate_matrix_projection / UNITY_MATRIX_P

组合之后就有：

  • 模型到观察（M × V）：UNITY_MATRIX_MV 或 mul(unity_MatrixV, unity_ObjectToWorld)
  • 世界到裁剪（V × P）：UNITY_MATRIX_VP / unity_MatrixVP
  • 模型到裁剪（M × V × P，通常叫 MVP）：UNITY_MATRIX_MVP

下面按转换路径再拆一遍。

模型空间 → 世界空间（Model → World）

模型空间下的顶点位置 v.vertex，乘以模型变换矩阵即可得到世界空间坐标：

float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);

世界空间 → 观察空间（World → View）

把世界空间坐标乘以视图矩阵：

float4 viewPos = mul(unity_MatrixV, worldPos);

观察空间 → 裁剪空间（View → Clip）

再乘投影矩阵：

float4 clipPos = mul(UNITY_MATRIX_P, viewPos);

这一步会把视锥体变换到一个规则的立方体内，方便后续裁剪和归一化。

世界空间 → 裁剪空间（World → Clip）

如果你已经有世界空间坐标，也可以直接用 VP 矩阵：

float4 clipPos = mul(UNITY_MATRIX_VP, worldPos);

模型空间 → 观察空间（Model → View）

有时只需要到观察空间，而不是直接裁剪空间，可以使用 MV 矩阵：

float4 viewPos = mul(UNITY_MATRIX_MV, v.vertex);

// 或明确写出：V * M
float4 viewPos2 = mul(unity_MatrixV, mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex));

模型空间 → 裁剪空间（Model → Clip / MVP）

最常见的完整路径就是「MVP 变换」：

float4 clipPos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);

在 Unity 提供的辅助函数中，等价写法是：

o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

这里 UnityObjectToClipPos 就是帮你把「对象空间顶点」 依次乘上 M、V、P 三个矩阵，得到可以直接用来输出到 SV_POSITION 的裁剪空间坐标。

顶点着色器中的典型用法

一个最基础的顶点着色器，一般至少会把输入的对象空间顶点转换到裁剪空间：

struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    // 其他属性：法线、UV 等
};

struct v2f
{
    float4 pos : SV_POSITION;
    // 其他插值数据
};

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    // 对象空间 → 裁剪空间
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    return o;
}

当你需要在世界空间做额外运算（比如基于世界坐标的光照、投影等）， 就再额外计算一份 worldPos 并通过 v2f 传给片元着色器即可。

小结

  • 记住四个主要空间：模型 → 世界 → 观察 → 裁剪；
  • 熟悉 Unity 内置矩阵：UNITY_MATRIX_M、UNITY_MATRIX_V、UNITY_MATRIX_P 和组合形式 MV、VP、MVP；
  • 在 Shader 里最常见的就是直接调用 UnityObjectToClipPos， 但理解背后做了什么，有助于你在需要世界空间或观察空间时写出更灵活的效果。

版权声明：本文最初发布于 CSDN「uniGame」，遵循 CC 4.0 BY-SA 协议，转载请附上原文链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/alla_Candy/article/details/121176275