【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity的Shader Graph中，NormalVector节点是一个基础且重要的工具，它允许着色器访问网格的法线矢量信息。法线矢量在计算机图形学中扮演着关键角色，它定义了表面的朝向，是光照计算、材质表现和各种视觉效果的基础。

节点概述

NormalVector节点为着色器编写者提供了获取网格法线数据的便捷途径。无论是顶点法线还是片元法线，这个节点都能让开发者轻松地在不同的坐标空间中操作这些数据。通过简单的参数设置，就可以将法线矢量转换到所需的坐标空间，大大简化了复杂着色器的开发过程。

法线矢量的本质是垂直于表面的单位向量，在三维空间中表示为(x, y, z)坐标。在Shader Graph中，这些数据通常来自3D模型的顶点数据，或者通过法线贴图等技术进行修改和增强。

参数详解

Space参数

Space参数决定了法线矢量输出的坐标空间，这是NormalVector节点最核心的功能。不同的坐标空间适用于不同的着色场景和计算需求。

• Object空间：也称为模型空间，这是法线数据最原始的存储空间。在Object空间中，法线相对于模型本身的坐标系定义，不考虑模型的旋转、缩放或平移变换。当模型发生变换时，Object空间中的法线不会自动更新，需要手动进行相应的变换计算。
• View空间：也称为相机空间或眼睛空间，在这个空间中，所有坐标都是相对于相机的位置和方向定义的。View空间的原点通常是相机的位置，Z轴指向相机的观察方向。这个空间特别适合与视角相关的效果，如边缘光、反射和折射。
• World空间：World空间中的坐标是相对于场景的世界坐标系定义的。无论模型如何移动或旋转，World空间提供了统一的参考框架。这个空间常用于光照计算、阴影生成和全局效果。
• Tangent空间：这是一个特殊的局部空间，主要用于法线贴图。在Tangent空间中，法线是相对于表面本身定义的，Z轴与表面法线对齐，X轴与切向量对齐，Y轴与副法线对齐。这种表示方法使得法线贴图可以在不同朝向的表面上重复使用。

选择正确的坐标空间对着色器的正确性和性能至关重要。错误的空间选择可能导致光照计算错误、视觉效果异常或性能下降。

端口信息

NormalVector节点只有一个输出端口：

• Out：输出类型为Vector 3，表示三维矢量。这个端口输出的是根据Space参数选择在对应坐标空间中的法线矢量。输出值通常是归一化的单位矢量，但在某些情况下（如使用非统一缩放时）可能需要重新归一化。

使用场景与示例

基础光照计算

法线矢量的一个主要应用是光照计算。在Lambert光照模型中，表面亮度取决于光线方向与表面法线之间的夹角。

HLSL

// 简化的Lambert光照计算
float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
float3 worldNormal = NormalVector节点输出（World空间）;
float NdotL = max(0, dot(worldNormal, lightDir));
float3 diffuse = _LightColor0 * NdotL;

在这个示例中，我们首先获取世界空间中的法线矢量和光线方向，然后计算它们的点积。点积结果决定了表面接收到的光照强度，这是大多数基础光照模型的核心计算。

法线贴图应用

法线贴图是现代实时渲染中增强表面细节的关键技术。NormalVector节点在应用法线贴图时起着桥梁作用。

HLSL

// 法线贴图应用流程
float3 tangentNormal = tex2D(_NormalMap, uv).xyz * 2 - 1; // 从[0,1]转换到[-1,1]
float3 worldNormal = NormalVector节点输出（World空间）;
// 使用TBN矩阵将切线空间法线转换到世界空间
float3x3 TBN = float3x3(
    IN.tangent.xyz,
    cross(IN.normal, IN.tangent.xyz) * IN.tangent.w,
    IN.normal
);
float3 mappedNormal = mul(TBN, tangentNormal);

这个示例展示了如何将切线空间中的法线贴图数据转换到世界空间。首先从法线贴图中采样并调整数值范围，然后使用TBN（切线-副切线-法线）矩阵进行空间转换。

边缘检测与轮廓光

利用View空间中的法线可以创建各种与视角相关的效果，如边缘光和轮廓检测。

HLSL

// 边缘光效果
float3 viewNormal = normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_V, NormalVector节点输出（World空间）));
float3 viewDir = normalize(UnityWorldToViewPos(IN.worldPos));
float rim = 1 - abs(dot(viewNormal, viewDir));
float rimLight = pow(rim, _RimPower) * _RimIntensity;

在这个示例中，我们首先将世界空间法线转换到View空间，然后计算法线与视角方向的点积。当表面几乎垂直于视角方向时（即边缘处），点积接近0，从而产生边缘光效果。

环境遮挡与全局光照

法线信息对于环境遮挡和全局光照计算也至关重要。

HLSL

// 简化的环境遮挡
float3 worldNormal = NormalVector节点输出（World空间）;
float ambientOcclusion = 1.0;

// 基于法线方向的简单环境光遮蔽
// 这里可以使用更复杂的算法，如SSAO或烘焙的AO贴图
ambientOcclusion *= (worldNormal.y * 0.5 + 0.5); // 模拟顶部光照更多

// 应用环境光
float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT * ambientOcclusion;

这个简单的示例展示了如何用法线方向来模拟环境光遮蔽效果。在实际项目中，通常会结合更复杂的算法或预计算的数据。

高级应用技巧

法线重定向与混合

在某些情况下，需要将法线从一个表面重定向到另一个表面，或者在不同法线源之间进行混合。

HLSL

// 法线混合示例
float3 normalA = tex2D(_NormalMapA, uv).xyz;
float3 normalB = tex2D(_NormalMapB, uv).xyz;
float blendFactor = _BlendFactor;

// 使用线性插值混合法线
float3 blendedNormal = lerp(normalA, normalB, blendFactor);

// 或者使用更精确的球面线性插值
// float3 blendedNormal = normalize(lerp(normalA, normalB, blendFactor));

法线混合是一个复杂的话题，因为简单的线性插值可能不会保持法线的单位长度。在实际应用中，可能需要重新归一化或使用更高级的插值方法。

法线空间转换优化

在性能关键的场景中，法线空间转换可能需要优化。

HLSL

// 优化的世界空间法线计算
// 传统方法
float3 worldNormal = normalize(mul(IN.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));

// 优化方法 - 使用逆转置矩阵（处理非统一缩放）
float3 worldNormal = normalize(mul(transpose((float3x3)unity_WorldToObject), IN.normal));

当模型应用了非统一缩放时，直接使用模型矩阵变换法线会导致错误的结果。在这种情况下，需要使用模型矩阵的逆转置矩阵来正确变换法线。

法线可视化与调试

在开发过程中，可视化法线矢量对于调试着色器非常有用。

HLSL

// 法线可视化
float3 worldNormal = NormalVector节点输出（World空间）;
// 将法线从[-1,1]范围映射到[0,1]范围以便可视化
float3 normalColor = worldNormal * 0.5 + 0.5;
return float4(normalColor, 1.0);

这个简单的着色器将法线矢量的各个分量映射到颜色通道，从而可以直观地查看法线的方向和分布。

常见问题与解决方案

法线不连续问题

当使用低多边形模型或不当的UV展开时，可能会遇到法线不连续的问题。

• 问题表现：表面出现不自然的硬边或接缝
• 解决方案：
  • 确保模型有适当的平滑组设置
  • 检查UV展开是否导致法线贴图采样错误
  • 考虑使用更高精度的模型或细分表面

性能考量

法线计算可能会成为性能瓶颈，特别是在移动设备或复杂场景中。

• 优化策略：
  • 在顶点着色器中计算法线，而不是片元着色器
  • 使用更简单的法线计算，如省略归一化步骤（如果对视觉效果影响不大）
  • 考虑使用法线贴图的压缩格式以减少内存带宽

法线精度问题

在特定情况下，法线计算可能会遇到精度问题，导致视觉瑕疵。

• 问题表现：闪烁的表面、带状伪影或不准确的光照
• 解决方案：
  • 使用更高精度的数据类型（如half改为float）
  • 确保法线贴图使用适当的格式和压缩
  • 检查法线变换矩阵的精度和正确性

与其他节点的配合使用

NormalVector节点很少单独使用，通常与其他Shader Graph节点结合以实现复杂的效果。

• 与Dot Product节点结合：用于计算光照强度、菲涅尔效应等
• 与Transform节点结合：在不同坐标空间之间转换法线
• 与Normalize节点结合：确保法线保持单位长度
• 与Sample Texture 2D节点结合：应用法线贴图
• 与Fresnel Effect节点结合：创建基于视角的效果

最佳实践

为了确保NormalVector节点的正确使用和最佳性能，建议遵循以下最佳实践：

• 始终考虑法线是否需要归一化，特别是在进行数学运算或空间变换后
• 选择最适合当前计算任务的坐标空间，避免不必要的空间转换
• 在性能敏感的场景中，尽可能在顶点着色器中计算法线相关数据
• 使用适当的数据类型平衡精度和性能
• 定期验证法线计算的正确性，特别是在使用复杂变换或混合时

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【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity引擎的渲染管线中，GPU实例化是一项重要的性能优化技术，它允许在单个绘制调用中渲染多个相同的网格，显著减少了CPU到GPU的数据传输开销。在URP（Universal Render Pipeline）的Shader Graph中，InstanceID节点扮演着关键角色，它为开发者提供了访问每个实例唯一标识符的能力。本文将深入探讨InstanceID节点的各个方面，包括其工作原理、应用场景、使用技巧以及实际示例。

InstanceID节点的基本概念

InstanceID节点是Shader Graph中的一个特殊功能节点，它返回当前正在渲染的几何体实例的唯一标识符。这个标识符在GPU实例化过程中由Unity引擎自动分配和管理。

当Unity使用GPU实例化技术渲染多个相同网格时，每个实例都会获得一个独一无二的Instance ID。这个ID从0开始递增，对应于绘制调用中每个实例的索引位置。理解这一点对于正确使用InstanceID节点至关重要。

InstanceID节点的输出是一个浮点数值，代表当前实例的标识符。在非实例化渲染情况下，这个值始终为0。需要注意的是，当使用动态实例化时，实例ID在不同帧之间可能不会保持一致，这意味着开发者不应该依赖实例ID在多个帧之间的持久性。

InstanceID节点的工作原理

要深入理解InstanceID节点，首先需要了解GPU实例化的基本机制。GPU实例化允许在单个绘制调用中渲染多个相同的网格，每个实例可以有不同的变换矩阵、颜色和其他属性。Unity通过实例缓冲区（Instance Buffer）将这些每实例数据传递给着色器。

在着色器执行过程中，系统会为每个实例分配一个唯一的索引，这就是Instance ID的来源。InstanceID节点本质上就是访问这个内置的着色器变量unity_InstanceID。

在HLSL代码中，InstanceID节点的实现大致如下：

HLSL

void Unity_InstanceID_float(out float Out)
{
    Out = unity_InstanceID;
}

当在Shader Graph中使用InstanceID节点时，这个内置变量会被自动包含在生成的着色器代码中。Unity的渲染管线负责在实例化绘制调用时正确设置这个值。

InstanceID节点的端口配置

InstanceID节点的端口配置相对简单，只有一个输出端口：

输出端口（Out）提供当前实例的ID值，数据类型为浮点数（Float）。这个端口不需要任何绑定，因为它的值是由渲染管线自动提供的。

虽然输出类型显示为浮点数，但实际使用时，实例ID通常是整数值。在Shader Graph中，我们可以通过适当的节点将其转换为整数，或者直接作为浮点数使用，具体取决于应用场景。

InstanceID节点的应用场景

InstanceID节点在Shader Graph中有多种应用场景，以下是几个常见的用例：

• 实例差异化：通过Instance ID为每个实例生成不同的颜色、大小或外观，即使它们使用相同的网格和材质。例如，在渲染一片森林时，可以使用Instance ID为每棵树生成略微不同的颜色和大小，增加场景的自然感。
• 程序化动画：利用Instance ID为每个实例创建不同的动画效果。例如，在渲染一群鱼时，可以使用Instance ID控制每条鱼的游动相位，使鱼群运动更加自然。
• 数据索引：使用Instance ID作为索引，从纹理或数组中查找对应的数据。这在需要为每个实例应用不同贴图或参数时特别有用。
• 随机值生成：将Instance ID作为随机数生成的种子，为每个实例创建可预测的随机值。这种方法确保同一实例在不同帧中保持一致的随机行为。
• 调试和可视化：在开发过程中，使用Instance ID可视化不同的实例，帮助调试实例化相关的问题。

使用InstanceID节点的注意事项

在使用InstanceID节点时，有几个重要事项需要注意：

• 实例化启用条件：InstanceID节点只有在真正使用GPU实例化时才会返回有意义的非零值。确保材质和渲染设置正确启用了GPU实例化。
• 动态实例化的不稳定性：当使用动态实例化时，实例ID在不同帧之间可能不一致。避免依赖实例ID的持久性进行跨帧的状态管理。
• 性能考虑：虽然访问InstanceID本身开销很小，但基于它的复杂计算可能会影响性能。在移动平台等性能受限的环境中要特别小心。
• 最大值限制：实例ID的取值范围受限于绘制调用中的实例数量。在极少数情况下，如果实例数量超过一定限制，可能需要考虑替代方案。
• 与非实例化渲染的兼容性：在非实例化渲染情况下，InstanceID始终返回0。确保着色器在这种情况下也能正确工作。

InstanceID节点与其他节点的配合使用

InstanceID节点通常需要与其他Shader Graph节点配合使用才能发挥最大效用：

与数学节点结合，可以通过简单的运算将Instance ID转换为更有用的值范围。例如，使用取模运算将Instance ID限制在特定范围内。

与纹理节点配合，可以使用Instance ID作为UV坐标或纹理数组的索引，实现每个实例使用不同纹理的效果。

与随机节点结合，可以将Instance ID作为随机种子，生成每个实例特有的随机值，同时保证这些值在帧间保持一致。

与时间节点配合，可以创建基于Instance ID的相位偏移动画，使多个实例的动画效果错开，增加视觉多样性。

实际示例：创建实例化颜色变化效果

下面通过一个具体示例演示如何使用InstanceID节点为实例化对象创建颜色变化效果：

首先在Shader Graph中创建InstanceID节点，然后将其连接到Color节点的各个通道。通过适当的数学运算，可以将Instance ID映射到不同的颜色范围。

一个常见的做法是使用正弦函数基于Instance ID生成平滑的颜色变化：

HLSL

// 伪代码示例
float hue = (InstanceID * 0.1) % 1.0;
float3 color = HSLtoRGB(hue, 1.0, 0.5);

在Shader Graph中，可以通过以下节点连接实现类似效果：

1. 将InstanceID节点连接到Multiply节点，乘以一个小数（如0.1）控制颜色变化速率
2. 将结果连接到Fraction节点，取小数部分确保值在0-1范围内
3. 使用这个值作为HDR Color节点的Hue输入

这种方法可以为每个实例生成独特但协调的颜色，非常适合用于创建大规模的对象群组，如草地、人群或星空。

实际示例：实例化动画偏移

另一个实用示例是使用InstanceID节点为实例化对象创建动画偏移：

假设我们有一组使用相同动画的实例，但希望它们的动画相位不同，避免所有实例完全同步运动。可以通过以下步骤实现：

将InstanceID节点连接到Multiply节点，乘以一个控制相位间隔的值。然后将结果添加到时间变量上，作为每个实例的个性化时间输入。

在Shader Graph中的具体实现：

1. 创建Time节点获取着色器时间
2. 创建InstanceID节点获取实例标识
3. 使用Multiply节点将InstanceID乘以一个小的相位值（如0.2）
4. 使用Add节点将时间与相位偏移相加
5. 将这个个性化时间用于驱动动画计算

这种方法可以创建更加自然和有机的动画效果，特别适用于群体动画，如鸟群、鱼群或摇摆的植物。

性能优化与最佳实践

为了确保使用InstanceID节点的着色器具有良好的性能，可以遵循以下最佳实践：

• 尽量减少基于InstanceID的复杂计算，特别是在片段着色器中
• 尽可能在顶点着色阶段完成基于InstanceID的计算，而不是在片段着色阶段
• 使用适当的精度修饰符，在保证质量的同时减少计算开销
• 在移动平台上，测试使用InstanceID的着色器性能，确保不会造成帧率下降
• 考虑使用其他实例化技术，如GPU实例化属性块，对于大量不同的实例数据

常见问题与解决方案

在使用InstanceID节点时，可能会遇到一些常见问题：

如果InstanceID始终返回0，首先确认是否真正启用了GPU实例化。检查材质的Inspector窗口，确保"Enable GPU Instancing"选项已勾选。同时确认是通过Graphics.DrawMeshInstanced或类似的实例化API进行渲染。

如果实例化对象的颜色或行为不符合预期，检查基于InstanceID的计算是否正确。特别注意数值范围和精度问题，确保计算不会导致意外的截断或溢出。

当遇到性能问题时，使用Unity的Frame Debugger分析绘制调用和实例化情况。确认实例化确实按预期工作，并且没有意外的批处理中断。

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