【节点】[ViewVector节点]原理解析与实际应用
在Unity的Shader Graph中,ViewVector节点是一个基础且重要的工具节点,它提供了从网格顶点或片元指向摄像机的方向向量。这个节点返回的是未标准化的原始向量值,保留了原始的长度信息,为着色器编程提供了更多的灵活性和控制能力。
ViewVector节点的核心概念
ViewVector节点计算的是从当前处理的顶点或片元位置指向摄像机位置的向量。这个向量在计算机图形学中被称为视图方向向量或视线向量,是许多光照和渲染效果的基础计算要素。
未标准化向量的特点
ViewVector节点输出的向量是未标准化的,这意味着向量保留了其原始的长度信息。这与标准化向量(单位向量)有显著区别:
- 未标准化向量包含距离信息,向量的长度等于从表面点到摄像机的实际距离
- 标准化向量的长度始终为1,方向信息被保留但距离信息丢失
- 未标准化向量在需要距离计算的效果中特别有用,如雾效、距离衰减等
节点在渲染管线中的作用
在URP(Universal Render Pipeline)渲染流程中,ViewVector节点为着色器提供了关键的视角相关信息。它使得材质能够根据观察角度和距离产生动态变化,是实现许多高级视觉效果的基础。
端口配置与数据流
ViewVector节点仅包含一个输出端口,设计简洁但功能强大。
输出端口详解
- 名称:Out
- 方向:输出
- 类型:Vector 3
- 绑定:无
- 描述:网格顶点/片元的View Vector
这个三维向量输出包含了X、Y、Z三个分量,分别代表了在选定坐标空间中的方向分量。向量的方向始终是从表面点指向摄像机,这一特性在所有坐标空间中保持一致。
数据流处理机制
当Shader Graph处理材质时,ViewVector节点会在每个顶点或片元着色器阶段计算相应的视图向量:
- 在顶点着色器中,计算基于顶点位置
- 在片元着色器中,计算基于插值后的片元位置
- 计算基于当前渲染摄像机的变换矩阵
空间坐标系选择
ViewVector节点提供了四种不同的坐标空间选项,每种空间都有其特定的应用场景和计算特性。
Object空间
Object空间也称为模型空间或局部空间,这是3D模型自身的坐标系系统。
坐标系特性
- 原点位于模型的轴心点(Pivot)
- 坐标轴与模型的本地方向对齐
- 不受模型变换(位置、旋转、缩放)影响
数学计算原理
在Object空间中,View Vector的计算基于以下公式:
ViewVector = inverse(UNITY_MATRIX_M) × (CameraPos - VertexPos)
应用场景
- 需要基于模型自身方向的效果
- 模型局部空间的特效
- 与模型几何结构紧密相关的效果
示例应用
假设创建一个随着观察角度变化而变形的材质,在Object空间中使用ViewVector可以确保变形效果始终基于模型自身坐标系,不受模型在世界中旋转的影响。
View空间
View空间也称为摄像机空间或眼睛空间,这是以摄像机为原点的坐标系。
坐标系特性
- 原点位于摄像机位置
- Z轴指向摄像机的观察方向
- X轴向右,Y轴向上
数学计算原理
在View空间中,View Vector的计算简化为:
ViewVector = -VertexViewPos
应用场景
- 屏幕空间效果
- 与摄像机直接相关的特效
- 景深和雾效计算
示例应用
在实现边缘光效果时,使用View空间的ViewVector可以更直接地计算表面法线与视线角度,因为两者在同一坐标系中。
World空间
World空间是场景的全局坐标系,所有对象都以此空间为参考。
坐标系特性
- 原点位于场景的世界原点
- 坐标轴方向固定
- 受模型变换影响
数学计算原理
在World空间中,View Vector计算为:
ViewVector = CameraWorldPos - VertexWorldPos
应用场景
- 需要世界坐标一致性的效果
- 全局光照计算
- 环境效果如雾、大气散射
示例应用
创建距离雾效时,使用World空间的ViewVector可以准确计算表面点与摄像机的实际距离,实现基于真实距离的雾浓度变化。
Tangent空间
Tangent空间是基于表面法线和切线定义的局部坐标系。
坐标系特性
- 原点位于表面点
- Z轴与表面法线方向一致
- X轴与切线方向一致,Y轴与副切线方向一致
数学计算原理
在Tangent空间中,View Vector需要通过变换矩阵计算:
ViewVector = TBN × (CameraWorldPos - VertexWorldPos)
其中TBN是从世界空间到切线空间的变换矩阵
应用场景
- 法线贴图相关效果
- 各向异性材质
- 复杂的表面光照模型
示例应用
在实现各向异性高光时,使用Tangent空间的ViewVector可以确保高光方向正确跟随表面方向,不受模型整体旋转影响。
实际应用案例
基础边缘光效果
边缘光(Rim Light)是ViewVector节点最典型的应用之一,它能够在物体边缘创建发光效果。
实现原理
边缘光效果基于表面法线与视线方向的夹角。当表面几乎垂直于视线方向时(即边缘区域),应用较强的光照;当表面正对摄像机时,效果减弱。
Shader Graph设置步骤
- 添加ViewVector节点,空间设置为World
- 添加Normal Vector节点,空间设置为World
- 使用Dot Product节点计算法线与视线方向的点积
- 使用One Minus节点反转结果(使边缘值大,中心值小)
- 使用Power节点控制边缘宽度
- 使用Color节点定义边缘光颜色
- 使用Multiply和Add节点混合到最终颜色
参数调节技巧
- 点积结果控制边缘位置:值越小边缘越明显
- Power节点指数控制边缘锐度:值越大边缘越锐利
- 颜色强度控制发光强度
基于距离的透明效果
利用ViewVector的未标准化特性,可以创建基于距离的透明渐变效果。
实现原理
通过计算ViewVector的长度获取表面点与摄像机的实际距离,根据距离值控制材质透明度。
Shader Graph设置步骤
- 添加ViewVector节点,空间设置为World
- 使用Length节点计算向量长度(距离)
- 使用Remap节点将距离映射到0-1范围
- 使用Saturate节点钳制数值范围
- 将结果连接到Alpha通道
高级应用变体
- 非线性距离衰减:使用曲线节点控制透明度变化
- 距离阈值:使用Step或SmoothStep节点创建硬边或柔边过渡
- 多层透明度:结合多个距离区间创建复杂透明效果
反射强度控制
根据观察角度动态调整反射强度,模拟菲涅尔效应。
实现原理
菲涅尔效应描述了表面反射率随观察角度变化的物理现象。在掠射角(视线与表面几乎平行)时反射最强,正对表面时反射最弱。
Shader Graph设置步骤
- 添加ViewVector节点和Normal Vector节点
- 使用Dot Product节点计算两者点积
- 使用One Minus节点反转结果
- 使用Power节点控制菲涅尔效应强度
- 将结果作为反射强度的乘数
物理准确性考虑
- 使用Schlick近似公式提高物理准确性
- 考虑材质折射率对菲涅尔效应的影响
- 结合粗糙度调整菲涅尔效应范围
各向异性材质模拟
各向异性材质在不同方向上表现出不同的光学特性,如拉丝金属、光盘表面等。
实现原理
使用Tangent空间的ViewVector,结合切线方向计算各向异性高光。
Shader Graph设置步骤
- 添加ViewVector节点,空间设置为Tangent
- 使用Tangent Vector节点获取切线方向
- 基于ViewVector的X分量和切线方向计算各向异性高光
- 使用Noise节点或Texture节点添加方向性纹理
- 结合光照模型计算最终高光
高级技巧
- 使用多个切线方向模拟复杂各向异性
- 结合视差效果增强立体感
- 使用时间变量创建动态各向异性效果
性能优化与最佳实践
坐标空间选择策略
不同的坐标空间选择对性能有直接影响,需要根据具体需求权衡。
性能考虑因素
- Object空间:需要矩阵逆运算,计算成本较高
- View空间:计算简单,性能最佳
- World空间:需要世界位置计算,中等成本
- Tangent空间:需要TBN矩阵计算,成本最高
选择指南
- 优先考虑View空间,特别是屏幕空间效果
- 需要世界一致性时选择World空间
- 仅在必要时使用Object或Tangent空间
计算优化技巧
向量标准化控制
由于ViewVector节点输出未标准化向量,在不需要距离信息时应手动标准化:
- 添加Normalize节点标准化向量
- 仅在需要距离信息时保留原始向量
节点组合优化
- 避免重复计算相同空间下的ViewVector
- 使用Branch节点避免不必要的计算
- 合理使用LOD(Level of Detail)控制计算复杂度
平台兼容性考虑
移动平台优化
- 避免在片元着色器中频繁使用复杂ViewVector计算
- 在顶点着色器中预计算并插值
- 使用精度修饰符优化计算(half、fixed)
跨平台一致性
- 测试不同坐标系在不同平台上的行为
- 注意左右手坐标系差异
- 验证矩阵变换的一致性
高级技术与创意应用
动态变形效果
结合ViewVector与顶点偏移,创建基于观察角度的动态几何变形。
实现方法
- 使用ViewVector方向驱动顶点偏移
- 结合噪声纹理增加自然感
- 使用距离控制变形强度
应用场景
- 鼠标悬停效果
- 魔法力场变形
- 热浪扭曲效果
高级光照模型
将ViewVector集成到自定义光照模型中,实现更真实的材质表现。
镜面反射改进
- 使用ViewVector计算半角向量
- 实现各向异性高光模型
- 创建基于视角的镜面反射衰减
次表面散射模拟
- 使用ViewVector计算背面透光
- 结合厚度图实现真实散射
- 创建皮肤、蜡质等材质效果
投影与阴影技术
利用ViewVector增强投影和阴影效果的真实感。
柔和阴影优化
- 基于视角角度调整阴影柔和度
- 实现透视正确的阴影变形
- 创建接触硬化阴影效果
投影纹理改进
- 使用ViewVector校正投影透视
- 实现基于视角的投影淡化
- 创建全息投影效果
故障排除与常见问题
向量方向错误
问题表现
效果方向与预期相反或错乱。
解决方案
- 检查坐标系选择是否正确
- 验证向量计算顺序(指向摄像机)
- 检查摄像机变换矩阵
性能问题
问题表现
着色器编译缓慢或运行时帧率下降。
优化策略
- 简化不必要的ViewVector计算
- 在低端设备上降低计算精度
- 使用更高效的坐标空间
平台特异性问题
问题表现
在不同平台或渲染管线上效果不一致。
解决思路
- 测试所有目标平台
- 使用URP内置函数确保兼容性
- 检查渲染管线设置和配置
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