Unity Shader 内置矩阵

mul函数

mul函数，Z = mul(M, V)是表示矩阵M和向量V进行点乘，得到一个向量Z，这个向量Z就是对向量V进行矩阵变换后得到的值。 
特别需要注意的是，例如normal是float3类型的，点乘的矩阵也要转换成float3x3。

float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);

矩阵

内置的矩阵（float4x4）：

名称	说明
UNITY_MATRIX_MVP	当前模型视图投影矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从模型空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_MV	当前模型视图矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从模型空间转换到视角（相机）空间
UNITY_MATRIX_V	当前视图矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从世界空间转换到视角（相机）空间
UNITY_MATRIX_P	当前的投影矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从视角（相机）空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_VP	当前视图投影矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从世界空间转换到裁剪空间
UNITY_MATRIX_T_MV	UNITY_MATRIX_MV模型视图矩阵的转置
UNITY_MATRIX_IT_MV	模型视图矩阵的逆转置，通常用于把法线从模型空间转换到视角（相机）空间
unity_ObjectToWorld	当前模型转空间矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从模型空间转换到世界空间
unity_WorldToObject	当前世界转模型矩阵，通常用于把顶点/方向矢量从世界空间转换到模型空间

1. 这里要特别说明一下UnityObjectToClipPos（v.vertex)） 方法，官方网站上说明，编写着色器脚本时，请始终使用UnityObjectToClipPos(v.vertex)而不是mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex)，因为所有内建的矩阵名字在Instanced Shader中都是被重定义过的，如果直接使用UNITY_MATRIX_MVP，会引入一个额外的矩阵乘法运算，所以推荐使用UnityObjectToClipPos / UnityObjectToViewPos函数，它们会把这一次额外的矩阵乘法优化为向量-矩阵乘法。

2. UNITY_MATRIX_IT_MV的使用场景，专门针对法线进行变换。但是为什么法线的变换和顶点不一样呢？

之所以法线不能直接使用UNITY_MATRIX_MV进行变换，是因为法线是向量，具有方向，在进行空间变换的时候，如果发生非等比缩放，方向会发生偏移。为什么呢？举个栗子，我们可以简单的把法线和切线当成三角形的两条边，显然，三角形在空间变换的时候，不管是平移，还是旋转，或者是等比缩放，都不会变形，但是如果非等比缩放，就会发生拉伸。所以法线和切线的夹角也就会发生变化。（而切线在变换前后，方向总是正确的，所以法线方向就不正确了）。下图，T、T'是切线，N、N'是法线

经过非等比缩放后

3.UnityObjectToWorldDir() 与 UnityObjectToWorldNormal()的区别

第一个原图，红色箭头表示法线。第二张图，表示非等比缩放，使用UnityObjectToWorldDir()，把法线从模型空间转换到世界空间，法线也会被压扁并且不再垂直于曲面。第三张图，表示非等比缩放，使用UnityObjectToWorldNormal()，把法线从模型空间转换到世界空间，法线是正确的垂直于曲面的。

当等比缩放时，使用UnityObjectToWorldDir()和UnityObjectToWorldNormal()得到的结果是一样的。

渲染流水线中顶点的空间变换过程

模型空间——>世界空间——>视角（相机）空间——>裁剪空间——>屏幕空间

1. 模型空间：每个模型都有自己独立的坐标空间，当它移动或旋转时，模型空间也会跟着它移动或旋转。

模型空间——>世界空间的变换矩阵：unity_Object2World

2. 世界空间：如果一个Transform没有任何父节点，那么这个位置就是在世界空间中的位置。

世界空间——>视角（相机）空间的变换矩阵：UNITY_MATRIX_V

3. 视角（相机）空间：摄像机决定了我们渲染游戏所使用的视角。

视角（相机）空间——>裁剪空间的变换矩阵：UNITY_MATRIX_P

4. 裁剪空间：目的是能够方便的对渲染图元进行裁剪，完全位于视锥体空间内部的图元被保留，完全位于这块空间外部的图元被剔除，而这块空间边界相交的图元就会被裁剪。视锥体有两种类型：正交投影和透视投影。在使用视锥体进行裁剪时，那么不同的视锥体就需要不同的处理过程。因此，提出了一种通用、方便的方式来裁剪，就是通过一个投影矩阵把顶点转换到一个裁剪空间中。

在Unity中，从裁剪空间到屏幕空间的转换是由Unity底层帮我们完成的。

5. 屏幕空间：屏幕空间是一个二维空间，因此我们需要把顶点从裁剪空间投影到屏幕空间中，来生成对应的2D坐标。首先，用裁剪空间的x、y、z分量除以w分量，把坐标从裁剪空间转换到归一化的设备坐标（NDC，一个立方体）中。然后，再映射到屏幕空间中，确定顶点在屏幕空间的像素位置。

在顶点着色器中，通过UNITY_MATRIX_MVP 这个矩阵，可以把物体的顶点从模型空间转换到裁剪空间。

相机

名称	类型	数值
_WorldSpaceCameraPos	float3	世界空间相机的位置
_ProjectionParams	float4	x = 1.0(或如果当前使用翻转投影矩阵渲染则为-1.0),y是相机的近平面,z是相机的远平面，w是1 / FarPlane
_ScreenParams	float4	x是相机的渲染目标在像素里的宽度,y是相机的渲染目标在像素里的高度,z是1.0 + 1.0 /宽度和w是1.0 + 1.0 /高度
_ZBufferParams	float4	用于线性化Z缓冲区的值。x(1-far /near),y(far/near)、z(x /far)和w(y /far)
unity_OrthoParams	float4	x是正交的相机的宽度,y是正交的相机的高度,z是未使用的，为正交的相机时w为1.0,透视相机时w为0.0
unity_CameraProjection	float4x4	摄像机的投影矩阵
unity_CameraInvProjection	float4x4	摄像机的投影矩阵的逆矩阵
unity_CameraWorldClipPlanes[6]	float4	相机锥平面世界空间方程，按顺序为：左、右、底部、顶部、近、远

光照

名称	类型	数值
_LightColor0(Lighting.cginc中声明)	fixed4	光照颜色
_worldspacelightpos0	float4	方向光:(世界空间方向,0)。其他光:(世界空间位置,1)
_LightMatrix0(AutoLight.cginc声明)	float4x4	world-to-light矩阵。用于样品cookie 和衰减纹理
unity_4LightPosX0、unity_4LightPosY0 unity_4lightposz0	float4	(仅ForwardBase通道)前四个不重要的点光源的世界空间坐标
unity_4lightatten0	float4	(仅ForwardBase通道)前四个不重要的点光源的衰减系数
unity_lightcolor	half4[4]	(仅ForwardBase通过)前四个不重要的点光源的颜色数组

在Shader的光照通道里的延迟着色和延迟光照（在unitydeferredlibrary.cginc）：

名称	类型	数值
_LightColor	float4	光照颜色
_LightMatrix0	float4x4	world-to-light矩阵。用于样品cookie 和衰减纹理

多光源下，最多8个光源在顶点通道，排序为从最亮的开始

名称	类型	数值
unity_LightColor	half4[8]	光照颜色数组
unity_LightPosition	float4[8]	视图空间光源的位置。方向光源的坐标是（-方向，0）；（位置，1）用于点/点指示灯，点光源，聚光灯的坐标是（位置，1）
unity_LightAtten	half4[8]	光源衰减的系数。X是cos(spotAngle/2)或非聚光灯为-1；Y为1／COS（spotangle / 4）或非聚光灯为-1；Z是衰减的二次方；W是正方形光源的范围
unity_SpotDirection	float4[8]	视图空间聚光灯的位置；（0,0,1,0）则非聚光灯。