片元着色器实现世界空间光源位置转模型空间的光照异常排查

1. 现有光源位置转换逻辑判定 #

当前实现的世界空间光源转模型空间的逻辑完全错误，核心问题有3处：

• 矩阵选取完全错误：顶点着色器传递的outMat实际存储的是u_View * aInstanceModelMatrix，属于「模型空间->世界空间->观察空间」的组合矩阵，根本不是世界空间到模型空间变换的对应矩阵。
• 变换方法用错：逆矩阵的转置（法线矩阵）仅用于变换方向类向量（如法线），不能直接用来变换带平移属性的点坐标。点坐标的空间转换需要使用源空间到目标空间的直接逆矩阵，不能套用方向向量的变换规则。
• 基础空间定义混乱：当前片元着色器的outPos是通过模型矩阵计算得到的世界空间坐标，但法线输出是模型空间原始值，本身就存在空间不匹配的问题。

正确的点坐标空间转换规则：若要把世界空间的点光源位置转换到模型空间，需要使用inverse(模型矩阵) 乘以带w=1的世界坐标向量，和视图矩阵没有任何关系。这也解释了为什么你不做错误转换时，效果能大致符合预期——此时光照计算实际上是半套凑出来的世界空间逻辑，因为光源位置和片元位置都是世界空间值，仅法线未做正确变换，所以存在细节瑕疵，但不会出现完全错乱的效果。

2. 纯方向光的参数转换可行性 #

不能使用和点光源位置完全相同的方法转换方向参数，原因是点坐标和方向向量的数学属性存在本质差异：

• 点坐标是带平移属性的空间位置，变换时w分量设为1，使用对应变换矩阵的直接逆矩阵完成转换。
• 方向向量是没有平移属性的指向值，变换时w分量设为0，必须使用对应变换矩阵的逆转置矩阵（法线矩阵）完成转换，才能保证旋转、缩放变换后方向的正交性。
  如果要统一在模型空间计算方向光，正确的转换流程是：将世界空间传入的u_SpotDirection，通过模型矩阵对应的法线矩阵变换为模型空间的方向值，再参与后续光照计算，不能直接套用点坐标的变换公式。

3. 无旋转仅平移场景下的光源错位原因 #

你看到的“光源位置像绕X轴旋转90度”的异常，完全是前述矩阵选取错误、变换方法错配导致的连锁结果：

• 你将观察空间矩阵（带相机俯仰、偏航旋转分量）的逆转置矩阵，用来转换世界空间的光源点坐标，相当于把相机自身的旋转分量错误的叠加到了光源位置计算中——而默认3D相机的俯仰角度通常接近90度，最终计算出的错位效果就和“光源绕X轴转了90度”的视觉感受完全一致。
• 你给点坐标向量设置w=1来做变换，会把法线矩阵中原本不参与平移计算的分量，错误的引入到点坐标结果里，进一步放大坐标错位的程度。
• 未做正确变换的模型空间法线、混算的世界空间片元位置，又进一步放大了光照的视觉错乱效果。

修正实现参考 #

如果坚持保留模型空间的光照计算逻辑，正确的实现流程为：

1. 顶点着色器中仅传递模型空间的必要数据：
   • 片元位置直接使用原始输入的模型空间顶点坐标：outPos = a_Position
   • 法线直接使用原始输入的模型空间法线值：outNormal = aNormal
   • 提前在顶点阶段完成空间转换：将世界空间传入的光源位置、光源方向，通过模型矩阵的逆矩阵、法线矩阵转换为模型空间值后再传到片元着色器，不要将视图矩阵混入光照计算流程。
2. 去掉片元着色器中原本的错误变换逻辑，直接使用提前转换好的模型空间光源参数参与运算。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Nick