【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity的可编程渲染管线中，Shader Graph为开发者提供了可视化编写着色器的能力，而Vertex ID节点则是其中一个功能强大但常被忽视的重要工具。Vertex ID节点允许着色器访问当前处理的顶点或片元的唯一标识符，为各种高级渲染技术提供了基础支持。

Vertex ID节点概述

Vertex ID节点的核心功能是输出当前正在处理的顶点或片元在网格中的索引值。这个索引值从0开始，按照网格顶点缓冲区的顺序递增。在顶点着色器阶段，它代表顶点的索引；在片元着色器阶段，它代表生成该片元的顶点的索引。

工作原理与底层机制

Vertex ID的实现依赖于GPU的顶点着色器输入语义。在HLSL中，这通常对应着SV_VertexID系统值语义。当Unity提交绘制调用时，GPU会为每个处理的顶点分配一个唯一的ID，这个ID基于顶点在顶点缓冲区中的位置。

在传统的编写着色器代码方式中，开发者会这样声明和使用Vertex ID：

HLSL

truct appdata
{
    uint vertexID : SV_VertexID;
};

而在Shader Graph中，这个过程被简化为简单地添加和连接Vertex ID节点，大大降低了使用门槛。

节点特性与限制

Vertex ID节点有几个重要特性需要注意：

• 输出值为浮点数类型，范围从0到网格顶点数减1
• 在顶点着色器和片元着色器中均可使用
• 值在单个绘制调用中保持唯一性和连续性
• 不受网格变形或动画影响，始终反映原始网格的顶点顺序

同时也有一些使用限制：

• 不能用于计算着色器
• 在某些移动设备上可能有限制或性能考虑
• 对于动态批处理的物体，Vertex ID可能不会按预期工作

Vertex ID节点的应用场景

Vertex ID节点在Shader Graph中有着广泛的应用场景，从简单的效果到复杂的渲染技术都能发挥作用。

顶点级动画与变形

利用Vertex ID可以实现基于顶点索引的动画效果，比如波浪效果、随机偏移等。由于每个顶点都有唯一的ID，可以基于ID计算不同的变换参数。

HLSL

// 伪代码示例：基于Vertex ID的波浪动画
float wave = sin(_Time.y * _WaveSpeed + vertexID * _WaveDensity);
float3 offset = float3(0, wave * _WaveHeight, 0);
position.xyz += offset;

程序化纹理坐标生成

当网格缺乏合适的UV坐标时，可以使用Vertex ID来生成程序化的纹理映射。这在处理程序化生成的几何体时特别有用。

HLSL

// 伪代码示例：基于Vertex ID生成UV
float2 uv = float2(frac(vertexID * _UVScale), floor(vertexID * _UVScale) / _GridSize);

实例化与批量渲染优化

在GPU实例化场景中，Vertex ID可以与其他系统值（如Instance ID）结合使用，实现高效的批量渲染和数据索引。

调试与可视化工具

Vertex ID是强大的调试工具，可以用于：

• 可视化顶点分布和顺序
• 检测顶点缓冲区问题
• 理解网格拓扑结构

实际应用示例

下面通过几个具体的Shader Graph设置示例，展示Vertex ID节点的实际应用。

波浪地形效果

创建一个基于Vertex ID的波浪地形效果：

• 首先在Shader Graph中创建Vertex ID节点
• 将输出连接到Custom Function节点进行波浪计算
• 使用Time节点提供动画参数
• 将计算结果连接到Position节点的偏移量

关键节点设置：

• Vertex ID → Custom Function (波浪计算) → Add to Position
• Time → Multiply (控制速度) → Custom Function
• 参数输入：波浪幅度、频率、传播速度

这种设置可以实现流畅的波浪动画，每个顶点基于其ID产生相位偏移，形成自然的波浪传播效果。

顶点颜色渐变

使用Vertex ID创建沿着顶点顺序的颜色渐变：

• Vertex ID节点输出除以网格顶点总数，归一化到[0,1]范围
• 将归一化值输入到Gradient节点
• 将Gradient输出连接到Base Color

这种方法特别适合线框渲染或几何可视化，可以清晰展示顶点的顺序和分布。

程序化网格变形

结合Vertex ID和数学节点创建复杂的网格变形：

• 使用Vertex ID作为噪声函数的输入种子
• 通过不同的数学运算（sin、cos、fract等）创建各种变形模式
• 将变形结果应用到顶点位置

这种技术可以创建有机的、程序化的形状变化，无需额外的纹理或顶点数据。

性能优化与最佳实践

正确使用Vertex ID节点需要考虑性能因素和最佳实践。

性能考虑

• 在移动平台上，尽量减少基于Vertex ID的复杂计算
• 避免在片元着色器中使用Vertex ID进行每帧重计算
• 考虑使用顶点着色器计算并将结果传递给片元着色器

兼容性处理

• 使用Shader Graph的节点功能检查目标平台的兼容性
• 为不支持Vertex ID的平台提供fallback方案
• 测试在不同图形API下的行为一致性

调试技巧

• 使用Vertex ID可视化来理解网格结构
• 结合RenderDoc等工具分析实际的Vertex ID分布
• 创建调试着色器来验证Vertex ID的预期行为

高级应用技巧

与其他系统值的结合

Vertex ID可以与其他系统值结合使用，创造更复杂的效果：

• 结合Instance ID实现每实例的顶点变形
• 与Primitive ID配合实现基于图元的特效
• 和Screen Position结合创建屏幕相关的顶点动画

自定义函数封装

对于复杂的Vertex ID应用，可以创建自定义HLSL函数节点：

HLSL

void VertexIDAnimation_float(float VertexID, float Time, float Amplitude, float Frequency, out float3 Offset)
{
    float phase = VertexID * Frequency + Time;
    Offset = float3(0, sin(phase) * Amplitude, 0);
}

这样可以在多个Shader Graph中重用复杂的Vertex ID逻辑。

数据驱动的方法

将Vertex ID与外部数据结合：

• 使用Compute Buffer存储每顶点的动画参数
• 通过MaterialPropertyBlock传递顶点级别的数据
• 结合Scriptable Renderer Features实现更高级的渲染管线集成

故障排除与常见问题

Vertex ID输出异常

当Vertex ID不按预期工作时，可能的原因包括：

• 网格被动态批处理，改变了顶点顺序
• 使用了不支持的渲染路径
• 图形API限制

解决方案：

• 禁用动态批处理
• 检查目标平台的图形API支持
• 使用Shader Variant收集器确保所有需要的变体都被编译

性能问题

基于Vertex ID的效果导致性能下降时的优化策略：

• 将计算从片元着色器移到顶点着色器
• 使用LOD系统在远距离简化效果
• 预计算静态效果到顶点颜色或纹理中

平台兼容性

处理不同平台的兼容性问题：

• 为OpenGL ES 2.0等老旧平台提供简化版本
• 使用Shader Graph的Keyword系统管理平台特定代码
• 进行充分的跨平台测试

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