Unity3D引擎之渲染技术

在学习Unity引擎或其他3D游戏引擎时，坐标空间是一个常见且关键的问题。在之前的博客中，我已向读者介绍过相关内容。在本篇博客里，我将用通俗易懂的语言，深入探讨为何需要如此多的坐标空间，以及如何利用矩阵变换解决实际问题。

生活中的坐标空间类比

在日常生活中，我们常常会遇到问路的情况。不同人的方向感存在差异，有的人方向感强，有的人则较弱。当为方向感强的人指路时，我们可以说“向东走大约300米，再向北走100米”，这里是以东南西北为坐标轴进行描述的。而对于方向感弱的人，我们只能说“向前走300米，再向左走100米”，此时使用的是以路人自身为原点的坐标空间。从这个案例可以看出，不同的指路方式对应着不同的坐标轴向。这表明在生活中，我们会根据不同的情况使用不同的坐标空间，这与游戏中使用不同空间的原理是类似的。

Unity3D引擎中的坐标空间

在使用Unity3D引擎开发3D游戏时，同样会面临各个坐标空间的变换问题。下面为开发者详细普及相关知识，以便在进行空间变换时能够更加得心应手。

模型空间

Unity3D引擎通常使用扩展名为FBX的模型，这些模型由美术人员使用建模工具（如3ds Max）制作并导出，同时还会包含图片（如高光、法线等）。关于材质的渲染，既可以使用Unity3D自带的Shader，也可以自行编写Shader。

制作好的模型相对于自身而言处于局部空间，也称为模型空间。每个模型都有自己独立的坐标空间，当模型进行移动或旋转时，其模型空间也会随之移动和旋转。打个形象的比方，当我们在公司的房间里移动时，我们自身的空间也会跟着移动；当我们转身时，我们的坐标空间也会相应变化。

在模型制作过程中，美术人员会为模型设置一个坐标，默认情况下通常设置为（0，0，0），这个坐标作为父节点的坐标。模型可能会有孩子节点，假设带有孩子节点的物体如下：

孩子节点的坐标是（2，2，0），这是子物体的局部坐标。接下来，我们将通过矩阵转换的方式，计算它在Unity中的世界坐标，同时向读者展示如何利用矩阵变换获取世界空间中的坐标。

世界空间

Unity3D引擎使用的是左手坐标系，即Z轴朝里，X轴朝右，Y轴朝上。将制作好的模型拖入到Unity编辑器后，红色箭头表示X轴，绿色箭头表示Y轴，蓝色箭头表示Z轴。此时，模型在世界场景中的坐标是（0，0，0），也就是说它自身的局部坐标与世界坐标重合。

下面我们对模型进行位移、旋转和缩放操作，具体参数为：缩放（2，2，2），旋转（0，150，0），位移（5，0，25）。在进行这些操作时，需要注意变换的顺序是固定的，必须先进行缩放，再进行旋转，最后进行位移操作。相应的矩阵变换如下：

经过这些变换后，在世界空间下，模型的子物体的位置是（9，4，18.0）。通过矩阵变换，我们成功得到了子物体的世界坐标。

在游戏开发中，这些基本运算经常会被用到。例如，我们可以利用矩阵变换自行实现实时阴影。由于Unity3D自带的阴影计算消耗较大，在移动端实现较为困难，而通过矩阵变换实现阴影可以有效提升效率。

后续内容展望

后续我将继续介绍观察空间的矩阵实现，敬请期待。