【节点】[Vector3节点]原理解析与实际应用

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity的Shader Graph可视化着色器编辑器中，Vector 3节点是一个基础且功能强大的构建块，它允许开发者在着色器中定义和操作三维向量值。这个节点在URP（Universal Render Pipeline）项目中尤为重要，因为它为处理颜色、位置、法线和其他三维数据提供了灵活的方式。

Vector 3节点的基本概念

Vector 3节点在Shader Graph中代表一个三维向量，通常用于表示三维空间中的方向、位置或颜色值（RGB）。该节点的核心功能是将三个独立的浮点数值组合成一个三维向量，或者提供一个固定的三维向量常量供着色器使用。

在数学上，Vector 3可以表示为 (x, y, z)，其中每个分量都是一个浮点数。在计算机图形学中，这种数据结构用途广泛：

• 表示三维空间中的点或方向
• 存储RGB颜色值
• 描述表面法线
• 表示纹理坐标
• 存储各种参数和属性

Vector 3节点的独特之处在于它的灵活性。当所有输入端口都未连接时，它作为一个常量向量；当部分或全部端口连接了其他节点时，它成为一个动态的向量组合器，能够根据输入实时计算输出值。

节点端口详解

Vector 3节点包含四个主要端口，每个端口都有特定的功能和用途。

输入端口

X输入端口

• 类型：Float（浮点数）
• 功能：接收向量X分量的值
• 使用场景：当需要动态控制向量的X分量时使用此端口
• 典型应用：控制颜色的红色通道、位置的X坐标或法线的X分量

Y输入端口

• 类型：Float（浮点数）
• 功能：接收向量Y分量的值
• 使用场景：当需要动态控制向量的Y分量时使用此端口
• 典型应用：控制颜色的绿色通道、位置的Y坐标或法线的Y分量

Z输入端口

• 类型：Float（浮点数）
• 功能：接收向量Z分量的值
• 使用场景：当需要动态控制向量的Z分量时使用此端口
• 典型应用：控制颜色的蓝色通道、位置的Z坐标或法线的Z分量

输出端口

Out输出端口

• 类型：Vector 3（三维向量）
• 功能：输出由X、Y、Z分量组成的完整三维向量
• 使用场景：将组合后的向量传递给其他需要Vector 3类型输入的节点
• 连接目标：可以是任何接受Vector 3输入的节点，如位置输入、颜色输入或数学运算节点

节点工作模式

Vector 3节点有两种主要工作模式，取决于输入端口的使用情况。

常量向量模式

当所有输入端口（X、Y、Z）都没有连接外部节点时，Vector 3节点工作在常量向量模式。在这种情况下，节点使用在节点属性中设置的固定值作为输出。

常量向量模式的特点：

• 输出值在着色器执行期间保持不变
• 适用于不需要动态变化的向量值
• 性能最优，因为值在编译时确定
• 通过节点检视面板直接编辑各分量值

使用常量向量模式的典型场景：

• 定义固定的颜色值
• 设置不变的偏移量或参数
• 指定默认的方向或位置
• 作为测试或调试用的固定值

动态向量模式

当一个或多个输入端口连接了其他节点时，Vector 3节点工作在动态向量模式。此时，节点的输出值会根据输入端口的值实时计算。

动态向量模式的特点：

• 输出值在着色器执行期间可能变化
• 允许基于其他计算结果的动态向量构建
• 提供更大的灵活性和交互性
• 可能对性能有轻微影响，取决于输入节点的复杂度

使用动态向量模式的典型场景：

• 基于时间或其他参数动态变化的颜色
• 根据顶点位置计算的法线向量
• 由多个输入组合而成的复杂向量
• 响应玩家输入或游戏状态变化的向量值

生成的代码解析

Vector 3节点在Shader Graph背后生成的HLSL代码相对简单但非常重要。理解这些生成的代码有助于深入掌握着色器的工作原理。

基础代码结构

根据文档说明，Vector 3节点生成的基本代码格式为：

HLSL

float3 _Vector3_Out = float3(X, Y, Z);

这段代码的解析：

• float3 是HLSL中的三维向量数据类型
• _Vector3_Out 是生成的变量名，实际使用中可能有所不同
• float3(X, Y, Z) 是HLSL中构造三维向量的语法
• X、Y、Z分别对应节点的三个输入分量

实际应用中的代码变体

在实际的Shader Graph编译过程中，生成的代码可能会有一些变体：

常量向量情况：

HLSL

float3 _Vector3_Node = float3(0.5, 0.8, 1.0);

动态向量情况：

HLSL

float _SomeFloat_X = ...; // 来自其他节点的计算
float _AnotherFloat_Y = ...; // 来自其他节点的计算
float _ThirdFloat_Z = ...; // 来自其他节点的计算
float3 _Vector3_Node = float3(_SomeFloat_X, _AnotherFloat_Y, _ThirdFloat_Z);

代码优化考虑

Unity的Shader Graph编译器会对Vector 3节点进行多种优化：

• 常量折叠：如果所有输入都是常量，编译器会在编译时计算最终结果
• 死代码消除：如果Vector 3节点的输出未被使用，整个节点会被移除
• 向量化优化：多个相关的Vector 3操作可能被合并为更高效的向量运算

实际应用示例

Vector 3节点在Shader Graph中有无数种应用方式，以下是一些常见且实用的示例。

颜色控制应用

创建动态颜色是Vector 3节点最常见的应用之一。

基础颜色定义：

• 使用常量模式定义固定颜色
• 通过调整X、Y、Z分量分别控制R、G、B通道
• 输出连接到片元着色器的Base Color输入

动态颜色变化：

Time节点 → Sine节点 → Vector 3的X端口
Time节点 → Cosine节点 → Vector 3的Y端口
Time节点 → Vector 3的Z端口
Vector 3输出 → Base Color

这种设置创建了随时间循环变化的颜色效果，适用于霓虹灯、能量场等特效。

基于纹理的颜色控制：

Texture 2D节点的R通道 → Vector 3的X端口
Texture 2D节点的G通道 → Vector 3的Y端口
Texture 2D节点的B通道 → Vector 3的Z端口
Vector 3输出 → Base Color

这种方式允许使用纹理的不同通道独立控制最终颜色的各个分量。

位置和偏移应用

Vector 3节点在处理顶点位置和对象变换时非常有用。

简单位置偏移：

Position节点 → Add节点
Vector 3常量 → Add节点的另一个输入
Add节点 → Position输出

这会在特定方向上应用固定偏移，可用于创建浮动效果或简单动画。

动态位置偏移：

Time节点 → Multiply节点（控制速度）
Sine节点 → Multiply节点（控制幅度）
Vector 3构建方向 → Multiply节点
Position节点 → Add节点
Add节点 → Position输出

这种设置创建了基于正弦波的顶点动画，适用于旗帜飘动、水面波动等效果。

法线和向量操作

在光照计算中，Vector 3节点用于处理和修改法线向量。

法线混合：

Normal节点 → Vector 3的X和Y端口
Texture样本 → Vector 3的Z端口
Vector 3输出 → Normal输入

这种方法可以基于纹理数据修改表面法线，用于实现凹凸映射或细节法线效果。

向量重映射：

某个Vector 3输出 → Component Mask节点（分离X、Y、Z）
分离的各分量 → 各自的数学处理节点
处理后的分量 → 新的Vector 3节点
新的Vector 3输出 → 后续计算

这种技术允许对向量的各个分量进行独立处理，然后重新组合。

高级技巧和最佳实践

掌握Vector 3节点的高级用法可以显著提升着色器效果和质量。

性能优化技巧

合理使用常量模式：

• 对于不会变化的向量值，始终使用常量模式
• 避免不必要的动态向量计算
• 在可能的情况下预计算向量值

向量运算优化：

• 尽量使用内置的向量运算节点而不是手动分离和重组分量
• 利用Swizzling和其他HLSL特性减少节点数量
• 合并相关的向量操作以减少指令数

组织和管理技巧

节点命名规范：

• 为重要的Vector 3节点添加有意义的注释
• 使用Sub Graph封装常用的向量操作
• 保持节点图整洁，避免不必要的连线交叉

参数化设计：

• 将需要调整的Vector 3值暴露为材质参数
• 使用适当的默认值和范围限制
• 考虑为不同的使用场景创建参数预设

调试和故障排除

向量可视化：

• 使用Vector 3输出直接驱动发射颜色来可视化向量值
• 创建调试视图来检查各个向量分量
• 利用Frame Debugger分析实际的向量值

常见问题解决：

• 检查向量分量的范围是否合理（通常0-1或-1到1）
• 确认向量方向是否符合预期
• 验证动态向量的更新频率和性能影响

与其他节点的配合使用

Vector 3节点很少单独使用，它通常与其他Shader Graph节点组合以实现复杂效果。

与数学节点配合

Add节点配合：

• 将两个Vector 3相加实现向量叠加
• 用于位置偏移、颜色混合等场景

Multiply节点配合：

• Vector 3与标量相乘实现均匀缩放
• Vector 3与另一个Vector 3相乘实现分量-wise乘法
• 用于颜色调整、强度控制等

Dot Product节点配合：

• 计算两个向量的点积
• 用于光照计算、投影操作等

Cross Product节点配合：

• 计算两个向量的叉积
• 用于生成法线、计算切线空间等

与纹理节点配合

Sample Texture 2D节点：

• 将纹理的RGB通道映射到Vector 3的XYZ分量
• 实现基于纹理的颜色控制或参数调整

Normal Map节点：

• 将法线贴图数据转换为实际的向量数据
• 用于表面细节增强和复杂光照效果

与高级节点配合

Transform节点：

• 将向量从一个空间转换到另一个空间
• 用于世界空间、视图空间、切线空间之间的转换

Fresnel Effect节点：

• 基于表面法线和视图方向创建边缘光效果
• Vector 3用于控制Fresnel的颜色参数

Gradient节点：

• 将渐变采样结果转换为Vector 3颜色值
• 用于复杂的颜色过渡和效果

实际项目案例

通过具体的项目案例可以更好地理解Vector 3节点的实际应用价值。

案例一：动态水体着色器

在这个案例中，Vector 3节点用于创建逼真的水体效果：

颜色控制部分：

Depth节点 → Subtract节点 → Saturate节点 → Power节点
结果值 → Lerp节点的Alpha输入
浅色Vector 3常量 → Ler节点的A输入
深色Vector 3常量 → Lerp节点的B输入
Lerp输出 → Base Color

法线计算部分：

两个不同偏移的Noise纹理 → 两个Vector 3构建法线
Blend节点混合两个法线 → 最终的Normal输出
Time节点控制噪声偏移 → 实现动态波纹效果

这个案例展示了如何使用多个Vector 3节点分别控制颜色和法线，创建复杂的水体外观。

案例二：全息投影效果

创建科幻风格的全息投影效果：

基础颜色：

Time节点 → Fraction节点 → Vector 3的X和Z端口
常量值1.0 → Vector 3的Y端口
Vector 3输出 → Emission Color

扫描线效果：

Position节点的Y分量 → Multiply节点（控制密度）→ Fraction节点
Step节点创建硬边缘 → Multiply节点控制强度
结果值 → 与Emission Color相乘

透明度控制：

Noise纹理 → Vector 3的X端口（控制整体透明度）
扫描线信号 → Vector 3的Y端口（增强扫描线区域的透明度）
Vector 3输出 → Alpha通道

这个案例展示了如何组合使用Vector 3节点创建复杂的外观效果，包括颜色、发射和透明度控制。

总结

• Vector 3节点有两种工作模式：常量模式和动态模式
• 三个输入端口分别控制向量的X、Y、Z分量
• 输出是组合后的三维向量，可用于各种着色器计算
• 生成的代码是简单的float3向量构造
• 与数学、纹理和其他节点配合可以实现无限可能的效果

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