【Unity】Unity坐标系变换那些事

FeastSC · 发表于 2021-12-2 11:30

说实话，Unity和它的SRP是真的很方便，不仅能相对便捷且自由地修改管线，还能拥有unity整个编辑器（相比自己撸一个框架，unity这点还是很香的）。因此用它快速复现一些图形学算法是很值得推荐的。
不过万事开头难，想要享受这份便利，总得踩些坑。其中，unity为了兼容各种API，坐标系搞成了四不像，第一次接触不熟悉可能得翻车。幸好我接触的API比较多，对unity究竟在搞什么名堂有自己的一些浅薄理解，就在此一并梳理了。
令人作呕的坐标系变换

看着这些API的坐标系，我陷入了对图形学和人生的大思考……为什么感觉这些API像是在玩一样，各种排列组合，非得整出各不一样的花活？左手系右手系像是在结印一样变来变去，一会儿翻转y轴，一会儿翻转z轴，NDC z轴范围有的0-1，有的-1到1。
最气的是，unity也要参上一脚，硬生生给组合出第四种来，让本就不富裕的脑细胞雪上加霜。但是静下心来，每个API为什么这么设计还都能分析出点原因来，真让人无语凝噎。
unity整体上的封装思路，是想在上层将各种坐标系（包括uv坐标系）抽象成OpenGL的规则（除了它的世界坐标系是左手系的，与OpenGL相反）。
unity的两套变换矩阵

在开始痛苦的坐标系变换踩坑之前，我们有必要先分清楚unity的两套矩阵：

unity开头的矩阵，对应的是unity这套左右左的坐标系变换规则（如上图所示）
glstate开头的矩阵，对应的是底层真正使用的矩阵，最终会将坐标系变换到特定api对应的NDC。因为无论上层怎么抽象封装，底层使用什么API就得老老实实给它变换到它想要的NDC。

Z轴的朝向

NDC Z轴必定是朝里的，但OpenGL和Vulkan前面几个坐标系是朝外的，所以之后不得不翻转。而unity就比较拧巴了，因为它世界坐标系是跟DirectX3D一样朝里的，摄像机坐标系又要像OpenGL一样朝外，所以unity开头的Z轴得来回折腾。
还有一点需要特别注意，由于float精度在储存 1-Z 时（透视的缘故），分布更加合理，因此反向存Z轴是一个优化。如果优化开启则我们可以通过UNITY_REVERSED_Z得知，最终存储的“新Z轴”是朝外的。因为这是要直接作用到最终深度缓冲里的深度值上的，因此这个翻转是被写到glstate透视矩阵里的。

Y轴的翻转

所有API的世界坐标都是y轴向上，屏幕空间都是y轴向下，因此整个流水线过程中，必然需要经历奇数次的翻转：DirectX3D选择在视口变换翻转，OpenGL选择一路头铁到底让操作系统去翻转，而Vulkan则直接规定NDC向下由用户在之前自己想办法翻转（一般在投影矩阵）

当渲染到纹理时，Unity遵从 OpenGL-like 平台的标准，即uv空间y轴向上。所以在dx和vulkan上，在渲染到纹理的部分情况下，unity会在glstate投影矩阵上偷偷翻转y轴，以让得到的图倒过来，这样采样这张UV空间y轴向下的倒着的纹理，就等价于采样UV空间y轴向上的正着的纹理了。（比较绕，仔细理解一下，其实就是负负得正的意思）
但有一些情况我们并不想被翻转y轴，比如我们想利用光栅化插值uv。那么就得自己在顶点着色器里得将顶点输出的uv自己再倒过来。我们可以通过内置变量_ProjectionParams.x查看unity是否翻转了投影矩阵的y轴，-1代表翻转了。

被坑案例：场景相机投影时翻转了y轴，因为我们自己也翻转了uv，所以不管是uv+1还是uv，采样结果都和翻转前一样，因此求差结果自然也一样。但是如果自己使用硬件ddx和ddy，它自己根据图像方位（右减左，下减上）求差，方向就会相反。

<hr/>如果这篇分析能帮你理清一点关于unity坐标系变换的困惑，本人不胜荣幸^O^。想看到后续更多关于引擎、图形和GPU的相关文章，也欢迎关注我哦~

Ylisar · 发表于 2021-12-2 11:39

坐标系这玩意儿是真的恶心人，不难理解但是各个api不统一，搞得很恶心

KaaPexei · 发表于 2021-12-2 11:41

unity更恶心的是编辑器面板上的旋转角度和你获取的角度完全不一样

fwalker · 发表于 2021-12-2 11:45

看来大家对unity怨气很深啊[捂脸]

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