Unity3D Shader中的裁剪空间和屏幕空间详解

前言

在Unity3D中，Shader是图形渲染的核心，负责处理顶点数据并将其转换为最终的像素颜色。在渲染管线中，裁剪空间和屏幕空间是两个重要的概念，它们对于图形渲染的效率和结果有着至关重要的影响。本文将详细解析这两个空间的概念、技术细节以及相应的代码实现。

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一、裁剪空间（Clip Space）

裁剪空间，也被称为齐次裁剪空间，是顶点着色器输出的顶点数据经过投影矩阵变换后所处的空间。裁剪空间的主要目的是对顶点进行快速裁剪，以决定哪些顶点在视锥体内，哪些在视锥体外，进而只渲染视锥体内的部分，以提高渲染效率。

1. 裁剪空间的特性

• 坐标系变换：裁剪空间使用左手坐标系，与观察空间（右手坐标系）不同。
• 齐次坐标：裁剪空间中的顶点使用齐次坐标表示，即顶点坐标是四维的（x, y, z, w），其中w分量在后续计算中有特殊作用。
• 裁剪操作：裁剪空间通过比较x, y, z分量与w分量的比例，来判断顶点是否在视锥体内。

2. 投影矩阵

投影矩阵（Clip Matrix或Projection Matrix）是将观察空间中的顶点转换到裁剪空间的关键。投影矩阵有两种类型：透视投影（Perspective Projection）和正交投影（Orthographic Projection）。

• 透视投影：适用于模拟人眼观察物体的效果，远处的物体看起来更小。透视投影矩阵由近裁剪面（Near Clip Plane）、远裁剪面（Far Clip Plane）、视野角（Field of View, FOV）和视口纵横比（Aspect Ratio）决定。
• 正交投影：适用于不考虑透视效果的场景，如2D渲染、建筑图纸等。正交投影矩阵不改变物体的相对大小。

3. 裁剪空间中的裁剪

裁剪操作是在裁剪空间内进行的，通过比较顶点的x, y, z分量与w分量的比例是否在[-1, 1]范围内，来决定顶点是否在视锥体内。不在视锥体内的顶点会被裁剪掉。

二、屏幕空间（Screen Space）

屏幕空间是渲染管线的最终阶段，将裁剪空间中的顶点映射到二维屏幕上，生成最终的像素颜色。

1. 齐次除法（Homogeneous Division）

也称为透视除法，是将裁剪空间中的顶点转换到归一化设备坐标（Normalized Device Coordinates, NDC）的关键步骤。这一步通过用顶点的x, y, z分量除以w分量来实现，结果是一个在[-1, 1]范围内的坐标。

2. 屏幕映射（Screen Mapping）

在NDC空间中，x和y坐标被映射到屏幕的像素坐标系中。这一步涉及到坐标系的缩放和平移，以匹配屏幕的分辨率和视口设置。

三、代码实现

以下是一个Unity Shader的示例代码，展示了如何将观察空间中的顶点转换到裁剪空间，并最终映射到屏幕空间。

	Shader "Custom/ClipToScreenShader"
	{
	Properties
	{
	_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader
	{
	Tags { "RenderType"="Opaque" }
	LOD 100
	Pass
	{
	CGPROGRAM
	#pragma vertex vert
	#pragma fragment frag
	#include "UnityCG.cginc"
	struct appdata
	{
	float4 vertex : POSITION;
	float2 uv : TEXCOORD0;
	};
	struct v2f
	{
	float2 uv : TEXCOORD0;
	float4 vertex : SV_POSITION;
	};
	sampler2D _MainTex;
	v2f vert (appdata v)
	{
	v2f o;
	// 转换到裁剪空间
	o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
	o.uv = v.uv;
	return o;
	}
	fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
	{
	// 采样纹理
	fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
	return col;
	}
	ENDCG
	}
	}
	}

在这个Shader中，vert函数负责将顶点从模型空间（或世界空间，取决于顶点数据的来源）转换到裁剪空间，这是通过UnityObjectToClipPos函数实现的。frag函数则负责将纹理颜色采样并输出到屏幕。

总结

裁剪空间和屏幕空间是Unity3D Shader中两个重要的概念，它们分别负责顶点的裁剪和最终像素的生成。通过深入理解这两个空间以及它们之间的转换过程，可以更好地掌握Unity3D的图形渲染技术，从而开发出高质量的图形应用。

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原文地址：https://blog.csdn.net/Thomas_YXQ/article/details/142450036

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