Unity3D Shader 坐标空间详解。

Unity3D Shader 坐标空间详解

前言

学 Shader 的过程中，你一定会反复看到这些词：

• 对象空间（Object Space）
• 世界空间（World Space）
• 观察空间（View Space）
• 裁剪空间（Clip Space）

很多初学者一开始最容易卡住的地方就是：

这些“空间”到底是什么？为什么同一个顶点要换来换去？

什么是“空间”

所谓“空间”，本质上就是：

同一个点，在不同参考坐标系下的表示方式。

比如一个模型顶点，在模型自身看来，它的位置可能是：

(0, 1, 0)

但如果把模型摆到场景里，这个点在世界中的位置就变成了另外一个值。

所以：

• 点没变
• 只是参考系变了

Unity Shader 中最常见的 4 个空间

1 对象空间（Object Space）

也叫：

• 本地空间
• 模型空间

它是 以模型自身为原点 的坐标系。

例如一个 Cube 的中心在模型原点，那么它顶部某个点可能是：

(0, 0.5, 0)

在顶点着色器里，最开始拿到的 v.vertex，通常就是对象空间坐标。

float4 vertex : POSITION;

也就是说：

Mesh 里的顶点数据，默认就是对象空间。

2 世界空间（World Space）

世界空间是 整个场景统一使用的坐标系。

不管场景里有多少模型，只要都转到世界空间，就能放在同一个参考系里比较。

比如：

• 模型 A 在 (0,0,0)
• 模型 B 在 (10,0,0)
• 摄像机在 (0,5,-10)

这些位置，都是世界空间下的描述。

对象空间转世界空间，常见写法：

float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

这里的 unity_ObjectToWorld 是 Unity 提供的模型矩阵。

它会把：

• 模型的位移
• 旋转
• 缩放

都计算进去。

3 观察空间（View Space）

观察空间可以理解为：

以摄像机为原点的空间。

把世界中的所有点，都换算成“站在摄像机视角下看”的坐标。

它的意义是：

• 更方便做某些和摄像机相关的计算
• 用于后续投影流程

在日常入门 Shader 中，手动使用观察空间的机会没有世界空间那么多，但它是渲染流程里必经的一步。

4 裁剪空间（Clip Space）

裁剪空间是顶点着色器最终必须输出的空间。

因为 GPU 后续要根据这个空间的数据去做：

• 视锥裁剪
• 透视除法
• 光栅化

在 Unity 中，最常见的写法是：

o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

这行代码等价于：

对象空间 → 世界空间 → 观察空间 → 裁剪空间

也就是说，它帮你把整个变换链都做了。

顶点是如何一步步走到屏幕上的

最常见的变换流程如下：

对象空间
   ↓
世界空间
   ↓
观察空间
   ↓
裁剪空间
   ↓
屏幕空间

你可以把它理解成：

1. 顶点先在模型自己的局部坐标里定义
2. 再放到场景中
3. 再转换到摄像机视角
4. 最后投影到屏幕上

所以 Shader 中很多“位置错误”的问题，本质上都是：

拿了 A 空间的数据，却和 B 空间的数据混着算。

为什么一定要区分空间

看一个最经典的错误示例：

float4 pos = v.vertex;
float3 normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
pos.xyz += normal * 0.1;

这段代码的问题是：

• pos 是 对象空间
• normal 是 世界空间

把两个不同空间的数据直接相加了。

这种写法在某些情况下可能“看起来还能跑”，但本质上是错误的，
一旦模型旋转、缩放，就容易出问题。

正确做法应该是：

• 要么位置和法线都在对象空间算
• 要么位置和法线都先转到世界空间再算

Unity 中常见的空间转换写法

对象空间 → 裁剪空间

o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

最常用。

对象空间 → 世界空间

float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

常用于：

• 世界空间光照
• 世界空间特效
• 和摄像机位置做比较

对象空间法线 → 世界空间法线

float3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

常用于：

• 光照计算
• Fresnel
• 描边方向

一个最简单的坐标空间可视化示例

下面写一个简单 Shader：

• 顶点正常显示
• 片段颜色根据 世界空间高度 变化

这样你可以直观看到：

同一个 Shader，在场景不同高度的位置，会显示不同颜色。

Shader "Custom/WorldPosColor"
{
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldPos : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                float h = saturate(i.worldPos.y * 0.2);
                return fixed4(h, h, 1, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

代码解读

o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

这一步把顶点从对象空间转成世界空间。

然后在片段着色器里：

float h = saturate(i.worldPos.y * 0.2);

根据世界坐标的 y 值控制颜色。

也就是说：

• 放得越高，颜色越亮
• 放得越低，颜色越暗

这就是世界空间参与计算的一个简单例子。

那法线也有空间吗

有的。

法线本质上也是方向向量，所以它同样可能处于：

• 对象空间
• 世界空间
• 切线空间

最常见的是：

• Mesh 自带法线：通常是 对象空间法线
• 光照计算常用：世界空间法线
• 法线贴图常用：切线空间法线

进阶：什么是切线空间（Tangent Space）

如果你后面学习法线贴图，一定会遇到切线空间。

它不是以世界为参考，也不是以模型原点为参考，
而是以模型表面某一点的局部方向为参考：

• Tangent（切线）
• Bitangent（副切线）
• Normal（法线）

这三个方向构成一个局部坐标系。

法线贴图里存的“蓝紫色法线”，大多数就是切线空间法线。

这部分先有个概念就够了，后面讲法线贴图时再深入。

常见错误总结

1 把不同空间的数据直接混算

例如：

• 对象空间顶点 + 世界空间法线
• 世界空间位置 和 观察空间方向做点乘

这是最常见的问题。

2 误以为 UnityObjectToClipPos 得到的是屏幕坐标

它得到的是 裁剪空间坐标，不是最终屏幕像素坐标。

后面 GPU 还要继续做投影和光栅化。

3 不知道什么时候该用对象空间，什么时候该用世界空间

一个简单经验：

• 模型内部形变：常用对象空间
• 和场景、灯光、摄像机相关的计算：常用世界空间

什么时候用哪种空间

需求	常用空间
顶点位移、模型内部动画	对象空间
与场景位置相关的效果	世界空间
与摄像机相关的计算	观察空间 / 世界空间
顶点最终输出	裁剪空间
法线贴图	切线空间

总结

可以先记住一句最核心的话：

空间不是“多出来的数据”，而是“同一份数据所处的参考系”。

在 Unity Shader 中，最重要的几个空间是：

• 对象空间：模型自己的局部坐标
• 世界空间：场景统一坐标
• 观察空间：摄像机视角坐标
• 裁剪空间：顶点着色器最终输出

只要后面写 Shader 时始终注意：

参与同一次计算的数据，必须尽量处于同一个空间。

那么很多 Shader 问题都会一下子清晰很多。