技术咨询：如何计算聚光灯遮罩的正确采样UV？

我已经实现了带聚光灯的Blinn-Phong光照计算，核心代码如下：

void BlinnPhong(
        inout float3 outputColor,
        PixelMaterial material,
        float3 lightColor,
        float3 lightDir,
        float3 viewDirection,
        float attenuation)
{
    const float diffuseFactor = dotMax(material.normal, lightDir);
    outputColor += lightColor * diffuseFactor * material.baseColor * attenuation;

    const float3 halfwayDirection = normalize(lightDir + viewDirection);
    float specularFactor = pow(dotMax(material.normal, halfwayDirection), material.roughness);
    if (diffuseFactor == 0.0f)
        specularFactor = 0.0f;
    outputColor += lightColor * specularFactor * material.metalness * attenuation;
}

void EvaluateSpotLights(inout float3 outputColor, PixelMaterial material, float3 pos, float3 viewDirection)
{
    for (uint i = 0; i < spotLights.Length; ++i) {
        SpotLight light = spotLights[i];
        
        const float3 posToLight = light.position - pos;
        const float3 lightDir = normalize(posToLight);

        //light.direction已归一化
        const float theta = dotMax(lightDir, light.direction);
        const float epsilon = (light.innerOuterCutOff.x - light.innerOuterCutOff.y);
        const float intensity = saturate((theta - light.innerOuterCutOff.x) / epsilon);
        
        const float distance = length(posToLight);
        const float attenuation = (1.0f / (light.constnatLinearQuadratic.x +
                  light.constnatLinearQuadratic.y * distance +
                  light.constnatLinearQuadratic.z * (distance * distance))) * intensity;
        
        BlinnPhong(outputColor, material, light.color, lightDir, viewDirection, attenuation);
    }
}

当前聚光灯效果正常，我希望给聚光灯添加遮罩纹理（已准备两张测试遮罩图，分别是中心亮边缘暗的圆形遮罩、带镂空图案的遮罩）。

我已经修改了BlinnPhong函数，添加了mask参数并将其与attenuation相乘，修改后代码：

void BlinnPhong(
        inout float3 outputColor,
        PixelMaterial material,
        float3 lightColor,
        float3 lightDir,
        float3 viewDirection,
        float attenuation,
        float mask)
{
    const float diffuseFactor = dotMax(material.normal, lightDir);
    outputColor += lightColor * diffuseFactor * material.baseColor * attenuation * mask;

    const float3 halfwayDirection = normalize(lightDir + viewDirection);
    float specularFactor = pow(dotMax(material.normal, halfwayDirection), material.roughness);
    if (diffuseFactor == 0.0f)
        specularFactor = 0.0f;
    outputColor += lightColor * specularFactor * material.metalness * attenuation * mask;
}

现在的问题是：应该使用何种UV来正确采样聚光灯遮罩纹理？

我尝试过以下方案，但都没有得到正确效果：

• 使用网格顶点UV：

//像素着色器中
float mask = t_spotlightMask.Sample(g_pointWrap, input.mesh_uv).r;

• 将lightDir转换为UV：

float theta = acos(lightDir.y);
float phi = atan2(lightDir.z, lightDir.x); 

float u = phi / (2 * PI) + 0.5;
float v = theta / PI;

编辑补充：尝试基于clipPosition计算UV后有进展，但仍存在异常（红色标记区域出现拉伸/错位），对应代码：

float maskSize = 512;
float2 scale = 1.0f / float2(maskSize * 0.5f, maskSize * 0.5f);
float2 offset = float2(0.0f, 0.5f);
float2 uv = clipPosition.xy * scale + offset;

float mask = t_spotlightMask.Sample(g_pointWrap, uv).r;

要正确采样聚光灯遮罩纹理，核心是从聚光灯的视角将世界空间的像素位置投影到遮罩纹理的UV空间，模拟聚光灯作为"相机"对场景的投影。具体步骤如下：

1. 构建聚光灯的视图-投影矩阵 #

在CPU端为每个聚光灯计算对应的视图矩阵和投影矩阵，合并后传入着色器：

• 视图矩阵：将世界空间转换为聚光灯局部空间（以聚光灯位置为原点，朝向为-z轴）。
• 投影矩阵：用透视投影匹配聚光灯的内外 cutoff 角度（FOV设为外cutoff角度的2倍，因为FOV是全角）。

示例逻辑（C#）：

// 聚光灯视图矩阵
Matrix4x4 viewMatrix = Matrix4x4.LookAt(lightPosition, lightPosition + lightDirection, Vector3.up);
// 聚光灯投影矩阵：FOV为外cutoff角度的2倍，宽高比1:1，近远裁剪面按需设置
float fov = 2 * Mathf.Deg2Rad * outerCutoffAngle;
Matrix4x4 projMatrix = Matrix4x4.Perspective(fov, 1.0f, 0.1f, lightMaxDistance);
// 合并为VP矩阵
Matrix4x4 lightVP = projMatrix * viewMatrix;

2. 在像素着色器中计算遮罩UV #

在EvaluateSpotLights函数中，基于聚光灯VP矩阵计算UV：

void EvaluateSpotLights(inout float3 outputColor, PixelMaterial material, float3 worldPos, float3 viewDirection)
{
    for (uint i = 0; i < spotLights.Length; ++i) {
        SpotLight light = spotLights[i];
        
        // 原有计算lightDir、intensity、attenuation的代码...

        // 计算遮罩UV
        float4 clipPos = mul(float4(worldPos, 1.0f), light.lightVP);
        float2 ndc = clipPos.xy / clipPos.w; // 齐次除法得到NDC范围[-1,1]
        float2 maskUV = ndc * 0.5f + 0.5f;   // 转换为UV范围[0,1]

        // 采样遮罩纹理，用clamp避免超出范围的无效采样
        float mask = t_spotlightMask.Sample(g_clampWrap, maskUV).r;
        // 让遮罩仅在聚光灯有效范围内生效
        mask *= intensity;

        BlinnPhong(outputColor, material, light.color, lightDir, viewDirection, attenuation, mask);
    }
}

3. 修复之前的异常问题 #

你之前使用的clipPosition是相机的裁剪空间坐标，不是聚光灯视角的，因此会出现错位。改用聚光灯自身的VP矩阵计算，就能得到正确的投影UV，解决红色标记区域的拉伸/错位问题。

额外优化 #

• 可以添加范围判断：如果distance(maskUV - 0.5f, 0.5f) > 0.5f，直接将mask设为0，避免采样遮罩纹理的无效区域。
• 若遮罩需要支持旋转/缩放，可以在VP矩阵后额外添加UV变换矩阵，灵活调整遮罩的显示效果。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Shout