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：
c
(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：
c
(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。
c
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：
c
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：
c
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：
c
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：
- 顶点先在模型自己的局部坐标里定义
- 再放到场景中
- 再转换到摄像机视角
- 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：
c
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
c
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);最常用。
对象空间 → 世界空间
c
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
c
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。
c
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
c
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：
c
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。