【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity的Shader Graph中，View Direction节点是一个功能强大且常用的工具，它允许开发者访问网格顶点或片元的视图方向矢量。这个矢量表示从顶点或片元指向摄像机的方向，在光照计算、反射效果、边缘光等众多视觉效果中扮演着关键角色。

View Direction节点的基本概念

View Direction节点输出的矢量本质上是从当前处理的顶点或片元位置指向摄像机位置的矢量。这个矢量在不同的渲染计算中有着广泛的应用，特别是在需要基于观察角度变化效果的场景中。

视图方向在计算机图形学中是一个基础概念，它描述了表面点相对于观察者的方向关系。在Shader Graph中，View Direction节点封装了这一计算，让开发者能够轻松获取和使用这一重要数据。

从Unity 11.0版本开始，View Direction节点在URP和HDRP中的行为已经统一，都会对所有坐标空间下的视图方向进行标准化处理。这一变化简化了跨渲染管线的着色器开发，确保了行为的一致性。

节点参数详解

坐标空间选择

View Direction节点提供了一个重要的控件参数——Space下拉选单，允许开发者选择输出视图方向矢量的坐标空间。理解不同坐标空间的特性对于正确使用该节点至关重要。

• Object空间：在此空间下，视图方向是相对于物体自身坐标系表达的。这意味着无论物体如何旋转、移动或缩放，视图方向都会相对于物体的本地坐标系进行计算。在需要基于物体自身方向的效果时特别有用，如某些类型的卡通渲染或物体特定的光照效果。
• View空间：也称为摄像机空间，在此空间中，摄像机位于原点，视图方向是相对于摄像机坐标系的。这个空间下的计算通常更高效，因为许多与视图相关的变换已经完成。适用于屏幕空间效果、与摄像机直接相关的特效。
• World空间：在此空间下，视图方向是基于世界坐标系表达的。这是最直观的空间之一，因为所有场景中的物体都共享同一世界坐标系。适用于需要与世界坐标交互的效果，如全局光照、环境遮挡等。
• Tangent空间：也称为切线空间，这是一个相对于表面法线的局部坐标系。在此空间下，视图方向是相对于每个顶点或片元的法线方向表达的。特别适用于法线贴图、视差映射等需要基于表面方向的效果。

输出端口

View Direction节点只有一个输出端口，标记为"Out"，输出类型为Vector 3。这个三维矢量包含了在当前选择的坐标空间下的视图方向。

输出的矢量始终是标准化的，即其长度为1。这一特性使得开发者可以直接使用该矢量进行点积计算等需要单位矢量的操作，而无需额外的标准化步骤。

在不同渲染管线中的行为差异

理解View Direction节点在不同渲染管线中的历史行为差异对于维护和迁移现有项目非常重要。

在Unity 11.0版本之前，View Direction节点在URP和HDRP中的工作方式存在显著差异：

• 在URP中，该节点仅在Object空间下输出标准化的视图方向，在其他坐标空间下则保持原始长度
• 在HDRP中，该节点在所有坐标空间下都会标准化视图方向

这种不一致性可能导致相同的着色器在不同渲染管线中产生不同的视觉效果。从11.0版本开始，Unity统一了这一行为，View Direction节点在所有渲染管线和所有坐标空间下都会输出标准化的视图方向。

对于需要在URP中使用旧行为（在Object空间外使用未标准化视图方向）的开发者，Unity提供了View Vector节点作为替代方案。这个节点保持了旧版本View Direction节点的行为，确保了向后兼容性。

实际应用场景

View Direction节点在着色器开发中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：

光照计算

在光照模型中，视图方向是计算高光反射的关键要素。结合表面法线和光照方向，视图方向用于确定观察者看到的高光强度。

• 在Blinn-Phong光照模型中，使用法线、光照方向和视图方向的半角矢量来计算高光
• 在基于物理的渲染中，视图方向是双向反射分布函数的重要输入

边缘光效果

视图方向可用于创建边缘光效果，当表面几乎与视图方向平行时增强其亮度。

• 通过计算表面法线与视图方向的点积，可以确定表面的边缘程度
• 结合菲涅耳效应，可以创建逼真的边缘发光效果

反射效果

视图方向在反射计算中至关重要，无论是平面反射、环境映射还是屏幕空间反射。

• 在立方体环境映射中，使用视图方向计算反射矢量
• 在屏幕空间反射中，视图方向用于确定反射射线的方向

视差映射

在视差映射技术中，视图方向用于模拟表面的深度和凹凸感。

• 在切线空间中使用视图方向偏移纹理坐标
• 创建更真实的表面凹凸效果，增强场景的立体感

使用示例与步骤

基础视图方向可视化

创建一个简单的着色器，直接显示视图方向：

• 在Shader Graph中创建新图
• 添加View Direction节点，选择World空间
• 将View Direction节点连接到主节点的Base Color端口
• 由于视图方向可能包含负值，需要将其映射到0-1范围
• 可以使用Remap节点或简单的数学运算完成这一映射

这个简单的示例可以帮助开发者直观理解视图方向在不同表面区域的变化。

创建菲涅耳效果

菲涅耳效果模拟了物体表面在掠射角（表面几乎与视图平行）反射率增加的现象：

• 添加View Direction节点和Normal节点，确保使用相同的坐标空间
• 使用Dot Product节点计算法线和视图方向的点积
• 使用One Minus节点反转结果，使掠射角的值接近1
• 使用Power节点控制效果的衰减程度
• 将结果与颜色或纹理相乘，连接到发射或基础颜色

实现简单的边缘光

创建一个基础的边缘光效果：

• 按照菲涅耳效果的步骤计算边缘因子
• 使用Smoothstep或Color节点控制边缘光的范围和颜色
• 将结果添加到现有的光照计算中
• 可以结合深度或屏幕空间信息增强效果的真实性

高级反射效果

创建一个基于视图方向的反射效果：

• 使用View Direction节点和Normal节点计算反射方向
• 将反射方向用于采样环境贴图或反射探针
• 结合粗糙度贴图控制反射的模糊程度
• 使用菲涅耳效应混合反射颜色和表面颜色

性能考虑与最佳实践

虽然View Direction节点本身计算开销不大，但在大规模使用时应考虑性能影响：

• 在片元着色器中计算视图方向比在顶点着色器中计算更精确但更昂贵
• 对于不需要高精度的效果，考虑在顶点着色器中计算视图方向并插值
• 避免在着色器中重复计算视图方向，尽可能重用计算结果
• 根据具体需求选择合适的坐标空间，减少不必要的空间转换

在移动平台或性能受限的环境中，应特别关注视图方向计算的开销：

• 尽可能使用计算量较小的坐标空间
• 考虑使用近似计算替代精确的视图方向
• 对于远处或小物体，可以使用简化的视图方向计算

常见问题与解决方案

视图方向显示异常

当视图方向显示不正确时，通常是由于坐标空间不匹配造成的：

• 确保View Direction节点和与之交互的其他节点使用相同的坐标空间
• 检查物体的变换矩阵是否包含非常规的缩放或旋转
• 验证摄像机的设置，特别是正交投影与透视投影的区别

性能问题

如果着色器因视图方向计算导致性能下降：

• 分析是否真的需要在片元级别计算视图方向
• 考虑使用更简化的计算模型
• 检查是否有重复的视图方向计算可以合并

跨平台兼容性

确保视图方向相关效果在不同平台上表现一致：

• 测试在不同图形API下的表现
• 验证在移动设备上的精度和性能
• 考虑为不同平台提供不同的精度或实现

进阶技巧与创意应用

结合时间变化的动态效果

通过将视图方向与时间参数结合，可以创建动态变化的视觉效果：

• 使用视图方向驱动动画或纹理偏移
• 创建随着观察角度变化而动态调整的效果
• 实现类似全息图或科幻界面元素的视觉效果

非真实感渲染

在卡通渲染或其他非真实感渲染风格中，视图方向可以用于：

• 控制轮廓线的粗细和强度
• 实现基于角度的色彩简化
• 创建手绘风格的笔触效果

特殊材质模拟

视图方向在模拟特殊材质时非常有用：

• 模拟丝绸、缎子等具有角度相关反射的织物
• 创建各向异性材料如拉丝金属的效果
• 实现液晶显示屏的角度相关颜色变化

---

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达 （欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）

【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

---

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达 （欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）