ShaderGraph节点解析(四十四):4x4 矩阵节点（Matrix 4x4 Node）详解_unity matrix4x4
目录
一、节点功能概述
二、端口与参数详解
2.1 端口配置
2.2 控制参数
三、技术原理解析
3.1 矩阵基础概念
3.2 典型矩阵示例
3.2.1 单位矩阵
3.2.2 旋转矩阵（绕 Z 轴旋转 θ 角）
3.2.3 缩放矩阵
四、应用场景与实战案例
4.1 坐标空间转换
场景：切线空间到世界空间转换
4.2 顶点变换效果
场景：自定义顶点扭曲动画
4.3 投影映射
场景：将纹理投影到物体表面
五、使用技巧与注意事项
5.1 矩阵运算策略
5.2 与其他节点配合
1. 与向量节点配合
2. 与材质属性配合
5.3 性能优化
六、总结与拓展应用
一、节点功能概述
4x4 矩阵节点（Matrix 4x4 Node）是 Unity Shader Graph 中用于定义常量 4x4 矩阵的基础工具。作为线性代数运算的核心组件，该节点允许开发者在 Shader 中直接声明固定矩阵值，用于坐标空间转换、顶点变换和复杂数学运算。其核心优势在于：
- 空间变换基础：支持模型、视图、投影等坐标空间的矩阵定义
- 灵活性高：可自定义任意 4x4 矩阵，满足旋转、缩放、平移等变换需求
- 性能高效：常量矩阵在编译时确定，无运行时计算开销
二、端口与参数详解
2.1 端口配置
2.2 控制参数
三、技术原理解析
3.1 矩阵基础概念
4x4 矩阵在图形学中主要用于齐次坐标变换，其数学形式为：
关键用途：
- 线性变换：旋转、缩放、错切等
- 仿射变换：包含平移的复合变换（通过第四列实现）
- 坐标空间转换：如模型到世界、世界到视图的矩阵转换
3.2 典型矩阵示例
3.2.1 单位矩阵
生成代码示例：
hlsl
float4x4 _Matrix4x4 = float4x4( 1, 0, 0, 0, // 第一行：X轴基向量 0, 1, 0, 0, // 第二行：Y轴基向量 0, 0, 1, 0, // 第三行：Z轴基向量 0, 0, 0, 1 // 第四行：平移分量);特性：对向量无变换作用，常用于矩阵初始化
3.2.2 旋转矩阵（绕 Z 轴旋转 θ 角）
hlsl
float theta = _RotationAngle;float4x4 rotationMatrix = float4x4( cos(theta), -sin(theta), 0, 0, sin(theta), cos(theta), 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1);3.2.3 缩放矩阵
hlsl
float3 scale = float3(_ScaleX, _ScaleY, _ScaleZ);float4x4 scaleMatrix = float4x4( scale.x, 0, 0, 0, 0, scale.y, 0, 0, 0, 0, scale.z, 0, 0, 0, 0, 1);四、应用场景与实战案例
4.1 坐标空间转换
场景：切线空间到世界空间转换
- 需求：将切线空间法线转换为世界空间
- 实现：
hlsl
// 定义切线空间到世界空间的转换矩阵（假设已通过顶点数据构建）float4x4 tangentToWorld = Matrix4x4Node.Out;// 切线空间法线float3 tangentNormal = float3(0, 0, 1);// 转换到世界空间float3 worldNormal = mul(tangentToWorld, float4(tangentNormal, 0)).xyz;
4.2 顶点变换效果
场景：自定义顶点扭曲动画
- 步骤：
hlsl
// 定义顶点变换矩阵（包含旋转和平移）float4x4 transformMatrix = Matrix4x4Node.Out;// 原始顶点坐标（对象空间）float4 objectVertex = float4(vertex, 1);// 应用变换float4 transformedVertex = mul(transformMatrix, objectVertex);
4.3 投影映射
场景：将纹理投影到物体表面
- 实现：
hlsl
// 定义投影矩阵（假设已计算投影参数）float4x4 projectionMatrix = Matrix4x4Node.Out;// 世界空间顶点坐标float4 worldVertex = mul(unity_ObjectToWorld, float4(vertex, 1));// 计算投影UVfloat4 projectedUV = mul(projectionMatrix, worldVertex);projectedUV.xy /= projectedUV.w; // 归一化
五、使用技巧与注意事项
5.1 矩阵运算策略
5.2 与其他节点配合
1. 与向量节点配合
hlsl
float4x4 matrix = Matrix4x4Node.Out;float3 vector = Vector3Node.Out;float3 transformedVector = mul(matrix, float4(vector, 0)).xyz;2. 与材质属性配合
hlsl
float4x4 scaleMatrix = float4x4( _Scale.x, 0, 0, 0, 0, _Scale.y, 0, 0, 0, 0, _Scale.z, 0, 0, 0, 0, 1);5.3 性能优化
- 避免冗余矩阵： 合并多个小矩阵为一个大矩阵，减少乘法运算次数
- 行主序与列主序： 确保矩阵定义与 HLSL 的行主序一致（默认行优先）
- 移动端优化： 简化复杂矩阵运算，使用半精度浮点存储
六、总结与拓展应用
4x4 矩阵节点作为 Shader 中的数学基础工具，其核心价值在于：
- 空间变换核心：支撑所有坐标系统的转换与顶点变换
- 算法基础：为投影、变形等复杂效果提供数学载体
- 灵活性保障：自定义矩阵满足各种创意性数学需求
拓展方向：
- 结合矩阵节点实现自定义相机投影效果
- 在 VR 中利用矩阵运算优化空间定位与交互
- 开发基于矩阵的程序性建模算法，动态生成复杂几何
