Unity中Shader观察空间推导(在Shader中实现)
文章目录
- 前言
- 一、观察空间矩阵推导
- 1、求观察空间基向量
- 2、求观察空间的基向量在世界空间中的矩阵 的 逆矩阵
- 2、求平移变换矩阵
- 3、相乘得出 观察空间转化矩阵
- 4、得到顶点的世界空间坐标,然后转化到观察空间
- 5、把观察空间坐标转化为齐次裁剪坐标输出到屏幕
- 二、最终效果
- 1、这是我们用默认Shader,在该摄像机坐标下的游戏界面
- 2、使用我们的Shader,并且给我们的ViewPos赋值为摄像机坐标
- 3、最终代码
前言
在上篇文章中,我们是实现了Shader中的观察空间推导。
- Unity中Shader观察空间推导
我们在这篇文章中,根据上篇文章的推导,在Shader中实现观察空间矩阵的推导。
一、观察空间矩阵推导
-
Pview = [Wview] * Pworld
-
Pview = [Vworld]-1 * Pworld
-
Pview = [Vworld]T * Pworld
-
在属性面板定义测试使用到的 摄像机坐标 和 测试顶点坐标
_ViewPos(“View Pos”,vector) = (0,0,0,0)
_ViewTarget(“View Target”,vector) = (0,0,0,0)
1、求观察空间基向量
- Z坐标轴基向量
float3 ViewZ = normalize(_ViewPos - _ViewTarget);
- 假设Y坐标轴基向量为(0,1,0)
float3 ViewY = float3(0,1,0);
- 求 X 坐标基向量
float3 ViewX = cross(ViewZ,ViewY);
- 求 Y 坐标基向量
ViewY = cross(ViewX,ViewZ);
2、求观察空间的基向量在世界空间中的矩阵 的 逆矩阵

float4x4 M_viewTemp = float4x4
(
ViewX.x,ViewX.y,ViewX.z,0,
ViewY.x,ViewY.y,ViewY.z,0,
ViewZ.x,ViewZ.y,ViewZ.z,0,
0,0,0,1
);
2、求平移变换矩阵
1 0 0 − T x 0 1 0 − T y 0 0 1 − T z 0 0 0 1 \begin{matrix} 1&0&0&-T~x~\\ 0&1&0&-T~y~\\ 0&0&1&-T~z~\\ 0&0&0&1\\ \end{matrix} 100001000010−T x −T y −T z 1
float4x4 M_viewTranslate = float4x4
(
1,0,0,-_ViewPos.x,
0,1,0,-_ViewPos.y,
0,0,1,-_ViewPos.z,
0,0,0,1
);
3、相乘得出 观察空间转化矩阵
float4x4 M_view = mul(M_viewTemp,M_viewTranslate);
4、得到顶点的世界空间坐标,然后转化到观察空间
float3 vertexWS = TransformObjectToWorld(v.vertexOS);
float3 vertexVS = mul(M_view,float4(vertexWS,1));
5、把观察空间坐标转化为齐次裁剪坐标输出到屏幕
o.vertexCS = TransformWViewToHClip(vertexVS);
二、最终效果
1、这是我们用默认Shader,在该摄像机坐标下的游戏界面

2、使用我们的Shader,并且给我们的ViewPos赋值为摄像机坐标

3、最终代码
//平移变换
//缩放变换
//旋转变换(四维)
Shader "MyShader/URP/P3_6_5"
{Properties{_Translate("Translate(XYZ)",Vector) = (0,0,0,0)_Scale("Scale(XYZ)",Vector)= (1,1,1,1)_Rotation("Rotation(XYZ)",Vector) = (0,0,0,0)[Header(View)]_ViewPos("View Pos",vector) = (0,0,0,0)_ViewTarget("View Target",vector) = (0,0,0,0)}SubShader{Tags{"PenderPipeline"="UniversalPipeline""RenderType"="Opaque""Queue"="Geometry"}Pass{HLSLPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Color.hlsl"#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"struct Attribute{float4 vertexOS : POSITION;};struct Varying{float4 vertexCS : SV_POSITION;};CBUFFER_START(UnityPerMaterial)float4 _Translate;float4 _Scale;float4 _Rotation;float4 _ViewPos;float4 _ViewTarget;CBUFFER_ENDVarying vert (Attribute v){Varying o;//平移变换float4x4 M_Translate = float4x4(1,0,0,_Translate.x,0,1,0,_Translate.y,0,0,1,_Translate.z,0,0,0,1);v.vertexOS = mul(M_Translate,v.vertexOS);//缩放交换float4x4 M_Scale = float4x4(_Scale.x,0,0,0,0,_Scale.y,0,0,0,0,_Scale.z,0,0,0,0,1);v.vertexOS = mul(M_Scale,v.vertexOS);//旋转变换float4x4 M_rotateX = float4x4(1,0,0,0,0,cos(_Rotation.x),sin(_Rotation.x),0,0,-sin(_Rotation.x),cos(_Rotation.x),0,0,0,0,1);float4x4 M_rotateY = float4x4(cos(_Rotation.y),0,sin(_Rotation.y),0,0,1,0,0,-sin(_Rotation.y),0,cos(_Rotation.y),0,0,0,0,1);float4x4 M_rotateZ = float4x4(cos(_Rotation.z),sin(_Rotation.z),0,0,-sin(_Rotation.z),cos(_Rotation.z),0,0,0,0,1,0,0,0,0,1);v.vertexOS = mul(M_rotateX,v.vertexOS);v.vertexOS = mul(M_rotateY,v.vertexOS);v.vertexOS = mul(M_rotateZ,v.vertexOS);//观察空间矩阵推导//P_view = [W_view] * P_world//P_view = [V_world]^-1 * P_world//P_view = [V_world]^T * P_worldfloat3 ViewZ = normalize(_ViewPos - _ViewTarget);float3 ViewY = float3(0,1,0);float3 ViewX = cross(ViewZ,ViewY);ViewY = cross(ViewX,ViewZ);float4x4 M_viewTemp = float4x4(ViewX.x,ViewX.y,ViewX.z,0,ViewY.x,ViewY.y,ViewY.z,0,ViewZ.x,ViewZ.y,ViewZ.z,0,0,0,0,1);float4x4 M_viewTranslate = float4x4(1,0,0,-_ViewPos.x,0,1,0,-_ViewPos.y,0,0,1,-_ViewPos.z,0,0,0,1);float4x4 M_view = mul(M_viewTemp,M_viewTranslate);float3 vertexWS = TransformObjectToWorld(v.vertexOS);float3 vertexVS = mul(M_view,float4(vertexWS,1));o.vertexCS = TransformWViewToHClip(vertexVS);//o.vertexCS = TransformObjectToHClip(v.vertexOS.xyz);return o;}half4 frag (Varying i) : SV_Target{return 1;}ENDHLSL}}
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