【节点】[ViewDirection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
  

<blockquote>
【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，
来源：程序园用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！