WebGL名词解释——裁剪空间

        在GLSL（OpenGL Shading Language）中，裁剪空间坐标 是图形渲染管线中的一个重要概念。它指的是顶点经过顶点着色器处理后输出的坐标，这些坐标位于一个特定的空间——裁剪空间（Clip Space） 。为了更好地理解这个概念，我们需要从渲染管线的角度逐步分析。

（简单来说即，图像的显示范围，可视的范围，视域）

1. 什么是裁剪空间？

裁剪空间是一个标准化的三维空间，用于表示顶点在进入光栅化阶段之前的位置。在这个空间中：

• 坐标范围被限制在一个标准化的立方体中，通常定义为 [−1,1] 的范围。
• 具体来说，顶点的裁剪空间坐标 (Xc​,Yc​,Zc​,Wc​) 满足以下条件时，该顶点被认为是在视锥体内：

• 如果顶点的坐标超出这个范围，则会被裁剪掉（即不会参与后续的渲染过程）。

裁剪空间是一个齐次坐标空间（Homogeneous Coordinates），这意味着顶点坐标是一个四维向量 (xc​,yc​,zc​,wc​)，其中 wc​ 是齐次分量。

2. 裁剪空间坐标的生成

裁剪空间坐标是由顶点着色器输出的 gl_Position 决定的。具体流程如下：

1. 模型空间 → 世界空间 ：顶点从局部坐标系（模型空间）通过模型变换矩阵转换到世界坐标系。
2. 世界空间 → 视图空间 ：通过视图矩阵（View Matrix），将世界空间中的顶点转换到相机的视图空间。
3. 视图空间 → 裁剪空间 ：通过投影矩阵（Projection Matrix），将视图空间中的顶点转换到裁剪空间。

最终，裁剪空间坐标由以下公式计算：

在顶点着色器中，gl_Position 是内置变量，必须赋值为裁剪空间坐标。例如：

#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos; // 输入顶点位置uniform mat4 model;      // 模型矩阵
uniform mat4 view;       // 视图矩阵
uniform mat4 projection; // 投影矩阵void main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

3. 裁剪空间的作用

裁剪空间的主要作用是为后续的渲染阶段提供一个标准化的坐标范围，便于进行裁剪和透视除法（Perspective Division）。以下是裁剪空间的关键作用：

（1）裁剪操作

在裁剪空间中，GPU会自动检测哪些顶点位于视锥体之外，并将其裁剪掉。这样可以避免渲染不可见的几何体，提高渲染效率。

（2）透视除法

在裁剪空间之后，顶点坐标会进行透视除法，即将齐次坐标 (xc​,yc​,zc​,wc​) 转换为归一化设备坐标（Normalized Device Coordinates, NDC）：

归一化设备坐标是一个标准的立方体范围 [−1,1]，进一步映射到屏幕空间。 

4. 总结

裁剪空间坐标是顶点着色器输出的 gl_Position，它是一个齐次坐标，表示顶点在裁剪空间中的位置。它的主要特点是：

• 范围限定在 [−wc​,wc​] 的标准化立方体内。
• 由模型矩阵、视图矩阵和投影矩阵共同计算得出。
• 在渲染管线中起到裁剪和标准化的作用，为后续的光栅化阶段做准备

疑问：

1 裁剪空间坐标(Xc​,Yc​,Zc​,Wc​) 为什么有四个值，分别是什么意思

•  首先这是一个齐次坐标 （Homogeneous Coordinates），用于表示顶点在裁剪空间中的位置
• 与普通三维坐标不同，齐次坐标通过引入额外的分量 w 来支持更多的数学操作
• 如投影变换和透视除法

   裁剪空间坐标 (Xc​,Yc​,Zc​,Wc​)是顶点经过顶点着色器处理后输出的结果，存储在 gl_Position 中

（1）Xc​,Yc​,Zc​ ：

• 这三个分量表示顶点在裁剪空间中的位置。
• 它们的范围并不是固定的，而是由投影矩阵决定。例如：
  • 在正交投影中，Xc​,Yc​,Zc​ 的范围通常是 [−1,1]。
  • 在透视投影中，Xc​,Yc​,Zc​ 的范围可能会超出 [−1,1]，但最终会通过透视除法映射到这个范围。

（2）Wc​ ：

• Wc​ 是齐次坐标的第四个分量，也称为齐次分量 。
• 在透视投影中，Wc​ 通常与顶点的深度信息相关，用于实现透视效果（近大远小）。
• 在正交投影中，Wc​ 通常是 1，因为正交投影不涉及透视变形。

参考：

裁剪空间-CSDN博客