【节点】[VertexColor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

VertexColor节点是Unity URP Shader Graph中一个基础且功能强大的节点，它允许着色器访问网格的顶点颜色数据。顶点颜色是存储在网格每个顶点上的颜色信息，可以用于各种视觉效果和着色技术。在实时渲染中，顶点颜色提供了一种高效的方式来为模型添加颜色变化、遮罩信息或其他每顶点数据，而无需额外的纹理采样。

顶点颜色数据通常由3D建模软件（如Blender、Maya、3ds Max）创建并导出，或者在Unity中通过脚本动态修改。每个顶点可以存储RGBA（红、绿、蓝、透明度）四个通道的颜色值，这些值在顶点之间进行插值，然后在片元着色器中使用。

在Shader Graph中，VertexColor节点是连接网格数据与着色器逻辑的重要桥梁。理解并熟练使用这个节点，可以大大扩展着色器的创作可能性，从简单的颜色着色到复杂的动态效果都能实现。

VertexColor节点基本概念

顶点颜色是直接存储在网格顶点上的颜色信息，与纹理贴图不同，它不依赖于UV坐标映射，而是与网格的顶点结构紧密相关。当渲染网格时，顶点颜色会在三角形表面进行平滑插值，创造出渐变效果。

顶点颜色的工作原理

在计算机图形学中，网格由顶点和三角形组成。每个顶点除了包含位置坐标外，还可以存储其他属性，如法线、纹理坐标和颜色。当Shader Graph使用VertexColor节点时，它实际上是在访问这些预存的顶点颜色数据。

顶点颜色的处理发生在图形管线的不同阶段：

  • 在顶点着色器阶段，可以访问原始的顶点颜色值
  • 在光栅化过程中，顶点颜色会在三角形表面进行插值
  • 在片元着色器阶段，可以访问插值后的顶点颜色

这种插值机制意味着即使网格的顶点数量相对较少，也能呈现出平滑的颜色过渡效果。

顶点颜色与纹理的对比

顶点颜色和纹理贴图都是为模型添加颜色信息的方法，但它们各有优缺点：

  • 顶点颜色的优势：
    • 性能开销低，不需要纹理采样
    • 不受UV映射问题影响
    • 适合表示大面积的平滑渐变
    • 可以与其他顶点数据（如位置、法线）结合使用
  • 顶点颜色的局限性：
    • 分辨率受顶点密度限制
    • 难以表现复杂的图案和细节
    • 修改颜色需要更改网格数据
  • 纹理贴图的优势：
    • 可以表现高度复杂的图案和细节
    • 分辨率独立于网格密度
    • 可以重复使用在不同模型上
  • 纹理贴图的局限性：
    • 需要额外的内存存储纹理
    • 需要纹理采样操作，有一定性能开销
    • 需要正确的UV映射

在实际项目中，顶点颜色和纹理贴图经常结合使用，以发挥各自的优势。

VertexColor节点端口详解

VertexColor节点只有一个输出端口，但理解这个端口的特性和使用方法至关重要。

输出端口特性

VertexColor节点的输出端口标记为"Out"，类型为Vector 4，对应RGBA四个通道的颜色值：

  • R通道：红色分量，取值范围通常为[0,1]
  • G通道：绿色分量，取值范围通常为[0,1]
  • B通道：蓝色分量，取值范围通常为[0,1]
  • A通道：透明度分量，取值范围通常为[0,1]

输出值取决于当前处理的顶点或片元位置，以及网格的顶点颜色数据。如果网格没有顶点颜色数据，Unity通常会使用默认值（通常是白色或黑色，取决于导入设置）。

数据类型与精度

VertexColor节点输出的Vector 4数据类型在Shader Graph中具有完整的浮点精度，这意味着它可以表示非常细微的颜色变化。这种高精度使得顶点颜色适合用于各种计算，而不仅仅是简单的颜色显示。

在内部，顶点颜色数据通常以8位每通道的精度存储（即0-255整数值），但在着色器中被标准化为0-1的浮点值。当在着色器中进行计算时，这些值会以全浮点精度处理，只有在最终输出到帧缓冲区时才会根据显示设备的限制进行量化。

顶点颜色的创建与导入

要在Shader Graph中使用VertexColor节点，首先需要确保网格包含顶点颜色数据。有多种方法可以为网格创建和添加顶点颜色。

在3D建模软件中创建顶点颜色

大多数专业3D建模软件都支持顶点颜色的创建和编辑：

  • Blender：
    • 进入顶点绘制模式（Vertex Paint Mode）
    • 使用画笔工具直接在模型上绘制颜色
    • 可以调整笔刷大小、强度和颜色
    • 支持图层和遮罩等高级功能
  • Maya：
    • 使用顶点颜色集（Vertex Color Sets）
    • 通过颜色绘画工具（Color Paint Tool）直接绘制
    • 支持通过属性编辑器调整颜色值
  • 3ds Max：
    • 使用顶点绘制修改器（Vertex Paint Modifier）
    • 提供直观的绘制界面和多种笔刷选项
    • 支持将顶点颜色转换为纹理

在导出模型时，确保选择支持顶点颜色的文件格式（如FBX），并检查导出设置中已启用顶点颜色选项。

在Unity中处理顶点颜色

将带有顶点颜色的模型导入Unity后，需要检查导入设置以确保顶点颜色被正确识别：

  • 在Project窗口中选择模型文件
  • 在Inspector窗口中查看Model选项卡
  • 确保"Import Vertex Colors"选项被启用
  • 检查"Bake IK"和"Optimize Mesh"等选项是否会影响顶点颜色数据

如果模型不包含顶点颜色，或者需要修改现有的顶点颜色，可以使用Unity的脚本API动态处理：

// 为网格添加顶点颜色的示例代码
void AddVertexColors(Mesh mesh, Color[] colors)
{
    if (mesh.vertexCount != colors.Length)
    {
        Debug.LogError("顶点颜色数量必须与顶点数量匹配");
        return;
    }

    mesh.colors = colors;
}

// 创建渐变顶点颜色的示例
void CreateGradientVertexColors(Mesh mesh, Color topColor, Color bottomColor)
{
    Vector3[] vertices = mesh.vertices;
    Color[] colors = new Color[vertices.Length];

    // 找到Y轴的最小和最大值
    float minY = float.MaxValue;
    float maxY = float.MinValue;

    foreach (Vector3 vertex in vertices)
    {
        if (vertex.y < minY) minY = vertex.y;
        if (vertex.y > maxY) maxY = vertex.y;
    }

    // 根据Y值分配颜色
    for (int i = 0; i < vertices.Length; i++)
    {
        float t = (vertices[i].y - minY) / (maxY - minY);
        colors[i] = Color.Lerp(bottomColor, topColor, t);
    }

    mesh.colors = colors;
}

这种方法特别适用于程序化生成的网格或需要运行时修改顶点颜色的情况。

VertexColor节点的基本应用

VertexColor节点在Shader Graph中有多种基本应用方式，从简单的颜色显示到复杂的材质效果都能实现。

直接显示顶点颜色

最简单的应用是直接将顶点颜色输出到材质的基色：

  • 创建新的PBR Graph或Unlit Graph
  • 添加VertexColor节点到图中
  • 将VertexColor节点的输出连接到Master节点的Base Color输入
  • 保存并应用材质到带有顶点颜色的模型

这种设置会完全按照网格的顶点颜色数据显示模型，适用于展示艺术家的原始设计或验证顶点颜色数据是否正确导入。

与纹理结合使用

顶点颜色经常与纹理贴图结合使用，以创建更复杂的材质效果：

  • 乘法混合：将顶点颜色与纹理颜色相乘，常用于色调调整或局部变暗/变亮
  • 加法混合：将顶点颜色与纹理颜色相加，常用于发光效果或高光增强
  • 插值混合：使用顶点颜色的某个通道（如Alpha）在两种纹理间进行插值

以下是一个乘法混合的示例设置：

  • 添加Texture2D节点并分配纹理
  • 添加VertexColor节点
  • 添加Multiply节点
  • 将Texture2D和VertexColor连接到Multiply的输入
  • 将Multiply的输出连接到Base Color

这种技术常用于为环境资产添加变化，比如使地面纹理在不同区域呈现不同的色调。

作为遮罩数据使用

顶点颜色的各个通道可以单独提取并用作遮罩，控制材质的不同方面：

  • R通道：控制漫反射强度或特殊效果区域
  • G通道：控制高光强度或金属度
  • B通道：控制自发光或透明度
  • A通道：通常用于透明度混合或边缘褪色

例如，可以使用顶点颜色的红色通道控制材质的金属度：

  • 添加VertexColor节点
  • 使用Split节点分离RGBA通道
  • 将R通道输出连接到Master节点的Metallic输入
  • 调整连接强度可能需要使用Multiply节点进行标量乘法

这种方法在角色材质中特别常见，比如在不同部位表现不同的材质属性（皮肤、布料、金属等）。

高级技巧与创意应用

除了基本应用，VertexColor节点还可以用于实现各种高级效果和创意着色器。

动态效果与动画

顶点颜色可以与时间节点结合，创建动态材质效果：

  • 脉动效果：使用正弦函数随时间改变顶点颜色的强度
  • 颜色循环：使用时间节点循环变换顶点颜色的色调
  • 扫描效果：结合顶点位置和顶点颜色创建移动的光带

以下是一个简单的脉动效果示例：

  • 添加Time节点
  • 添加Sine节点连接到Time
  • 添加Multiply节点调整脉动幅度和频率
  • 添加VertexColor节点
  • 将Sine和VertexColor的输出相乘
  • 连接到Base Color输入

这种技术可以用于创建呼吸效果的发光物体、脉动的能量场等动态场景元素。

程序化地形着色

在大型地形系统中，顶点颜色常用于混合多种纹理：

  • 使用红色通道控制草地纹理的强度
  • 使用绿色通道控制岩石纹理的强度
  • 使用蓝色通道控制沙地纹理的强度
  • 使用Alpha通道控制雪地纹理的强度

设置方法：

  • 添加多个Texture2D节点，分别代表不同地形类型的纹理
  • 添加VertexColor节点并使用Split分离通道
  • 使用多个Lerp节点根据顶点颜色通道混合纹理
  • 最终混合结果连接到Base Color

这种方法允许美术师在3D软件中绘制地形分布，并在Unity中实现复杂的多纹理混合，而无需使用高分辨率的重量纹理。

特效与粒子系统

顶点颜色在粒子系统和特效着色器中尤为重要：

  • 使用顶点颜色控制粒子生命周期中的颜色变化
  • 结合顶点Alpha通道实现软粒子效果
  • 使用RGB通道存储自定义数据，如速度、大小或旋转

在Visual Effect Graph或旧版粒子系统中，可以在着色器中使用VertexColor节点访问粒子颜色数据，实现复杂的粒子行为。

性能优化与最佳实践

正确使用VertexColor节点不仅可以创造出色的视觉效果，还能保持高性能。

性能考量

顶点颜色数据对性能的影响主要取决于几个因素：

  • 网格复杂度：顶点数量越多，需要传输和处理的颜色数据也越多
  • 平台限制：移动设备对顶点数据有更严格的限制
  • 带宽使用：顶点颜色会增加顶点缓冲区的大小，影响内存带宽

优化建议：

  • 在不需要顶点颜色的模型上禁用顶点颜色导入
  • 使用适当的LOD（Level of Detail）系统，在远距离模型上使用简化的顶点数据
  • 考虑使用顶点颜色与纹理的组合，而不是完全依赖顶点颜色表现细节

工作流程最佳实践

为了确保顶点颜色工作流程的顺畅，建议遵循以下最佳实践：

  • 在3D建模软件中明确命名顶点颜色层，便于识别和管理
  • 在团队中建立统一的顶点颜色通道规范（如R通道总是表示某种特定遮罩）
  • 在Unity中创建材质模板，预设常用的顶点颜色应用模式
  • 使用自定义Shader Graph子图封装复杂的顶点颜色逻辑，提高复用性

调试与问题解决

当顶点颜色不按预期显示时，可以采取以下调试步骤：

  • 检查模型导入设置中的顶点颜色选项是否启用
  • 在Scene视图中使用Vertex Color显示模式可视化顶点颜色数据
  • 在Shader Graph中使用Preview节点检查VertexColor节点的输出值
  • 确保材质正确应用到了目标模型上
  • 检查是否有其他着色器功能（如光照、雾效）覆盖了顶点颜色效果

常见问题及解决方案：

  • 顶点颜色显示为黑色或白色：可能是模型没有顶点颜色数据，或导入设置不正确
  • 颜色插值不连续：检查网格是否有重复顶点或UV接缝问题
  • 性能突然下降：检查是否在低端设备上使用了高顶点数的网格配合顶点颜色

实际案例分析与实现

通过具体案例更好地理解VertexColor节点的应用。

案例一：风格化水体着色器

创建一个使用顶点颜色控制的水体着色器：

  • 使用顶点颜色的蓝色通道控制水深
  • 使用顶点颜色的绿色通道控制水体清澈度
  • 使用顶点颜色的红色通道控制波浪强度
  • 使用顶点Alpha通道控制泡沫分布

实现步骤：

  1. 创建新的PBR Graph
  2. 添加VertexColor节点并分离各通道
  3. 使用蓝色通道与深度纹理结合计算水下效果
  4. 使用绿色通道调整水体透明度
  5. 使用红色通道控制法线贴图的强度，模拟波浪
  6. 使用Alpha通道混合泡沫纹理
  7. 将所有效果组合到Base Color、Normal和Emission输出

这种技术允许美术师通过绘制顶点颜色直接控制水体的视觉效果，无需编写复杂的水体着色器代码。

案例二：可交互的熔岩材质

创建一个使用顶点颜色和顶点动画的熔岩材质：

  • 使用顶点颜色的红色通道控制熔岩温度
  • 使用绿色通道控制熔岩流速
  • 使用蓝色通道控制熔岩发光强度
  • 结合时间节点创建流动效果

实现步骤：

  1. 创建Unlit Graph以完全控制颜色输出
  2. 添加VertexColor节点和Time节点
  3. 使用噪声纹理和绿色通道创建流动图案
  4. 使用红色通道调整熔岩基础颜色（从暗红到亮黄）
  5. 使用蓝色通道控制自发光强度
  6. 添加顶点偏移模拟熔岩表面的轻微起伏
  7. 将所有组件组合到最终颜色输出

这种材质可以应用于火山环境、魔法效果或科幻场景中的能量流体。

案例三：动态植被着色器

创建响应风效和季节变化的植被着色器：

  • 使用顶点红色通道标记树叶位置
  • 使用绿色通道控制树枝弯曲强度
  • 使用蓝色通道控制颜色变化（如季节更替）
  • 使用Alpha通道控制叶片透明度

实现步骤：

  1. 创建PBR Graph支持真实感渲染
  2. 添加VertexColor节点并分离通道
  3. 使用绿色通道与风效节点结合，实现基于顶点颜色的差异化弯曲
  4. 使用蓝色通道与时间节点结合，模拟季节颜色变化
  5. 使用红色通道标记的树叶区域应用特殊的透光效果
  6. 使用Alpha通道实现叶片边缘透明，减少视觉锯齿
  7. 组合所有效果输出到PBR主节点

这种着色器可以让植被更加生动自然，同时保持较低的性能开销。

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达
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posted @ 2026-01-30 10:03  SmalBox  阅读(2)  评论(0)    收藏  举报