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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