【节点】[Vector4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

Vector 4节点是Unity URP Shader Graph中用于处理和定义四维向量的核心节点。在计算机图形学和着色器编程中，四维向量是最基本的数据结构之一，广泛应用于颜色表示、空间坐标、纹理坐标和各种数学计算中。掌握Vector 4节点的使用对于创建复杂的着色器效果至关重要。

Vector 4节点的基本概念

Vector 4节点在Shader Graph中扮演着多重角色，既可以作为常量向量的定义工具，也可以作为向量数据的组合和转换节点。理解其工作原理需要从向量的数学本质和在图形学中的应用场景入手。

四维向量在数学上表示为包含四个标量值的集合，通常写作(x, y, z, w)或(r, g, b, a)。在着色器编程中，这四个分量可以表示不同的含义，具体取决于使用上下文：

• 在颜色表示中，通常对应RGBA颜色值
• 在空间变换中，可以表示三维坐标加齐次坐标
• 在纹理采样中，可能表示纹理坐标和深度信息
• 在复杂数学运算中，可以打包多个相关参数

Vector 4节点的核心功能是提供一种灵活的方式来创建和操作这些四维向量，无论是通过直接输入常量值，还是通过连接其他节点的输出动态构建向量。

节点端口详解

Vector 4节点的端口设计体现了其灵活性和多功能性。每个端口都有特定的作用和适用场景，深入理解这些端口的使用方法对于充分发挥节点潜力至关重要。

输入端口

X输入端口

• 数据类型：Float（浮点数）
• 功能描述：定义输出向量的第一个分量
• 使用场景：当需要单独控制向量的X分量时使用，例如控制颜色的红色通道或位置的X坐标
• 典型应用：连接时间节点创建动态效果，连接纹理采样节点基于纹理值调整分量

Y输入端口

• 数据类型：Float（浮点数）
• 功能描述：定义输出向量的第二个分量
• 使用场景：控制向量的Y分量，如颜色的绿色通道或位置的Y坐标
• 特殊用法：在二维效果中，常与X端口配合使用创建平面坐标

Z输入端口

• 数据类型：Float（浮点数）
• 功能描述：定义输出向量的第三个分量
• 使用场景：处理三维空间相关的效果，如深度信息、法线向量的Z分量
• 注意事项：在二维效果中，有时会设置为固定值或用于存储额外参数

W输入端口

• 数据类型：Float（浮点数）
• 功能描述：定义输出向量的第四个分量
• 使用场景：通常用于特殊用途，如颜色的Alpha通道、齐次坐标的w分量
• 高级应用：在自定义光照模型中存储高光强度或其他材质属性

输出端口

Out输出端口

• 数据类型：Vector 4（四维向量）
• 功能描述：输出由输入分量组合而成的四维向量
• 连接目标：可以连接到任何接受Vector 4类型输入的端口
• 典型下游节点：颜色节点、位置节点、UV节点、数学运算节点等

使用模式与工作流程

Vector 4节点的使用可以分为几种典型模式，每种模式对应不同的着色器创作需求。

常量向量定义模式

当所有输入端口都未连接时，Vector 4节点充当常量向量定义器。这是最简单的使用模式，适用于定义固定的颜色值、位置偏移或其他不变的向量参数。

使用场景示例：

• 定义纯色材质的基础颜色
• 设置固定的纹理偏移量
• 指定不变的空间变换参数
• 定义材质的标准属性值

操作步骤：

• 选择Vector 4节点并将其添加到Shader Graph中
• 在节点检查器中直接设置X、Y、Z、W分量的数值
• 将Out端口连接到目标属性

动态向量构建模式

当部分或全部输入端口连接到其他节点时，Vector 4节点成为向量组装工具。这种模式允许基于各种输入动态构建向量，是实现复杂着色器效果的关键。

典型构建方式：

• 从多个独立计算的结果组合向量
• 将不同来源的数据打包成单个向量
• 基于条件或计算修改向量的特定分量
• 将低维向量扩展为四维向量

分量替换模式

通过有选择地连接部分输入端口，可以实现向量分量的部分替换。未连接的端口使用默认值，连接的端口使用输入值，这种模式在修改现有向量的特定分量时非常有用。

应用实例：

• 修改颜色的Alpha通道而不影响RGB值
• 调整位置向量的高度分量（Y轴）
• 替换法线向量的特定分量

实际应用案例

颜色和透明度控制

在着色器开发中，Vector 4节点最常见的应用是定义和控制颜色。四维向量的四个分量自然对应颜色的RGBA通道。

基础颜色定义示例：

• 创建纯红色：X=1, Y=0, Z=0, W=1
• 创建半透明蓝色：X=0, Y=0, Z=1, W=0.5
• 定义材质的基础色属性

动态颜色控制：

• 使用时间节点驱动颜色变化，创建闪烁效果
• 基于顶点位置或UV坐标变化颜色
• 根据光照条件调整颜色饱和度

HLSL

// 生成的代码示例：动态颜色
float redChannel = _Time.y % 1.0; // 使用时间控制红色通道
float greenChannel = uv.x; // 使用UV坐标控制绿色通道
float blueChannel = 0.5; // 固定蓝色通道
float alphaChannel = 1.0; // 不透明度

float4 dynamicColor = float4(redChannel, greenChannel, blueChannel, alphaChannel);

位置和变换处理

Vector 4节点在空间变换和位置处理中起着重要作用，特别是在顶点着色器中处理模型位置时。

空间坐标应用：

• 定义对象空间中的固定偏移量
• 创建基于时间的动画位移
• 实现顶点抖动效果
• 控制粒子系统的发射位置

齐次坐标处理：

• 在模型-视图-投影矩阵变换中处理w分量
• 实现透视校正和深度测试
• 处理投影空间坐标

HLSL

// 位置偏移示例
float3 worldPosition = TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz);
float xOffset = sin(_Time.y * 5.0) * 0.1; // X轴正弦波动
float yOffset = 0.0; // Y轴无偏移
float zOffset = cos(_Time.y * 3.0) * 0.05; // Z轴余弦波动

float4 offsetVector = float4(xOffset, yOffset, zOffset, 0.0);
float4 newPosition = float4(worldPosition, 1.0) + offsetVector;

纹理坐标操作

Vector 4节点可以用于复杂的纹理坐标操作，特别是在需要多层纹理或动态UV效果时。

高级UV处理：

• 为不同纹理层设置不同的UV变换
• 创建流动的纹理效果
• 实现纹理缩放、旋转和平移
• 处理立体纹理和数组纹理

HLSL

// 动态UV偏移示例
float2 baseUV = IN.uv;
float scrollSpeed = 0.1;
float scrollAmount = _Time.y * scrollSpeed;

// 为不同方向创建不同的滚动速度
float xScroll = scrollAmount;
float yScroll = scrollAmount * 0.5;
float2 scrolledUV = baseUV + float2(xScroll, yScroll);

// 打包为Vector4用于复杂纹理采样
float4 complexUV = float4(scrolledUV, baseUV);

材质属性组合

在高级着色器中，Vector 4节点常用于组合多个材质属性，优化着色器性能和代码组织。

属性打包策略：

• 将相关但独立的参数打包为单个向量
• 减少着色器中的常量寄存器使用
• 简化着色器参数传递接口
• 提高GPU缓存效率

典型打包方案：

• 将金属度、光滑度、环境光遮蔽打包
• 组合纹理缩放和偏移参数
• 打包光照模型的多个衰减参数

高级技巧与最佳实践

性能优化策略

合理使用Vector 4节点可以显著提升着色器性能，特别是在移动平台上。

优化建议：

• 尽可能重用已计算的向量，避免重复计算
• 在适当情况下使用常量向量而不是动态计算
• 合理组织向量分量，将相关数据放在同一向量中
• 避免不必要的向量-标量转换

数据组织模式

有效的向量数据组织是创建高效着色器的关键。

常用组织模式：

• 空间数据组织：位置、法线、切线分别存储
• 颜色数据组织：遵循RGBA标准顺序
• 材质属性组织：按使用频率和相关性分组
• 动画参数组织：时间相关参数集中存储

调试和可视化技巧

在Shader Graph开发过程中，正确调试Vector 4节点至关重要。

调试方法：

• 使用自定义函数节点检查单个分量
• 通过颜色编码可视化向量不同分量
• 利用预览窗口观察中间结果
• 创建调试分支隔离特定向量操作

可视化技巧：

• 将X、Y、Z分量映射到RGB颜色进行可视化
• 使用W分量控制可视化强度或透明度
• 创建分量分离的调试视图

与其他节点的协同工作

Vector 4节点很少单独使用，通常与其他节点组合形成完整的着色器功能。

与数学节点配合

Vector 4节点与各种数学运算节点的组合是实现复杂效果的基础。

常见组合：

• 使用加法节点实现位置偏移
• 使用乘法节点调整颜色强度
• 使用正弦/余弦节点创建波动效果
• 使用插值节点实现平滑过渡

在光照模型中的应用

在自定义光照模型中，Vector 4节点用于存储和传递光照参数。

光照相关应用：

• 存储表面颜色和透明度
• 打包法线向量和高度信息
• 组合光照衰减参数
• 存储阴影和光照遮罩数据

特效系统集成

在粒子系统和后期特效中，Vector 4节点用于控制各种特效参数。

特效控制：

• 定义粒子颜色和生命周期
• 控制后期效果的强度参数
• 存储屏幕空间效果的数据
• 管理时间相关的动画曲线

常见问题与解决方案

数据类型匹配问题

在使用Vector 4节点时，经常遇到数据类型不匹配的问题。

解决方案：

• 使用适当的转换节点确保数据类型一致
• 理解隐式类型转换规则
• 在复杂网络中明确标注数据类型
• 使用Split节点提取所需分量

性能瓶颈识别

不当的Vector 4使用可能导致着色器性能下降。

性能问题诊断：

• 使用Shader Graph的性能分析工具
• 检查向量操作的复杂度和频率
• 评估向量长度是否必要
• 考虑使用更简单的数据类型替代Vector 4

跨平台兼容性

不同平台对Vector 4操作的支持和性能特征可能不同。

兼容性考虑：

• 测试在目标平台上的向量操作性能
• 注意移动平台的精度限制
• 考虑使用半精度浮点数优化性能
• 验证复杂向量操作在所有目标平台上的正确性

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