【节点】[Filter-Dither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

抖动技术基础概念

抖动技术是一种通过引入伪随机噪声来优化量化误差的数字图像处理方法。当颜色深度不足时，图像中容易产生明显的色带现象，而抖动技术能够将这些色带分解为更细微的图案，从而获得更加平滑自然的视觉效果。在Unity ShaderGraph中，Dither节点专门用于在屏幕空间应用此类技术，通过特定的算法模式确保噪声均匀分布。
在实时渲染领域，抖动技术不仅用于改善颜色过渡，还广泛应用于透明度处理、阴影渲染和后期处理效果。
Dither节点核心架构

端口配置与数据类型

Dither节点包含三个主要端口，各自承担特定的功能：

• In端口：作为动态矢量输入，接收待处理的数值。该端口通常连接Alpha通道值，也可用于处理颜色矢量或其他需要抖动的数据。
  
• Screen Position端口：输入Vector 4类型的屏幕空间坐标，是抖动模式定位的关键依据。该端口默认绑定至屏幕位置，确保抖动图案能够基于像素位置正确分布。
  
• Out端口：输出经过抖动处理后的动态矢量结果，其数据类型与输入保持一致。
  

算法实现原理

Dither节点采用16阶Floyd-Steinberg抖动算法，这是一种经典的有序抖动技术。该算法通过预定义的阈值矩阵决定像素的量化方式，在有限颜色深度下实现最佳视觉表现。
核心算法流程如下：首先将屏幕坐标转换为纹理坐标，随后根据像素位置在4x4阈值矩阵中选择对应阈值。该矩阵包含16个均匀分布在0到1范围内的数值，确保抖动图案的周期性与均匀性。
URP渲染管线中的ShaderGraph环境

渲染管线基础

在深入探讨Dither节点之前，需了解Unity的渲染管线架构。目前Unity主要支持以下三种渲染管线：

• 内置渲染管线：Unity最早的渲染系统，功能基础但稳定可靠。
  
• 可编程渲染管线：通过C#脚本控制渲染流程的高级技术，为URP和HDRP提供底层支持。
  
• 通用渲染管线：专为多平台优化设计的现代化渲染方案，尤其适用于移动设备及中等性能要求的平台。
  

ShaderGraph配置要求

使用Dither节点前需确保项目正确配置URP渲染管线。创建新的ShaderGraph时，应选择URP模板以保证所有节点与功能正常可用。URP不仅提供更优的性能表现，还确保着色器在不同设备上的一致性。
Dither节点详细参数解析

输入参数详解

In输入端接收的动态矢量可为多种数据类型，具体取决于前续节点的输出。实际应用中，最常见的配置是将Float值连接至In端口，用于控制透明度阈值。
Screen Position输入通常保持默认连接，但在特定情况下可能需要自定义屏幕坐标。例如，当需要基于特定UV坐标或对象空间位置应用抖动时，可断开默认连接并接入自定义位置数据。
阈值控制与参数调节

Dither节点的效果主要通过阈值参数控制。在实现半透明效果时，通常会创建Float参数作为Dither值，其显示范围一般设置在剪切阈值至1之间。通过动态调整此参数，可实现基于距离的透明度变化或其他动画效果。
实践应用：半透明效果实现

基础设置流程

创建基于Dither节点的半透明效果需遵循以下步骤：

• 新建Unlit ShaderGraph并创建对应材质
  
• 在Graph Setting中启用Alpha Clipping功能
  
• 添加Dither节点并将其输出连接至Alpha Clip Threshold
  
• 配置阈值参数与Dither参数以实现期望的透明度范围
  

菲涅尔效应结合

将Dither节点与Fresnel节点结合可创建更自然的半透明效果。菲涅尔效应模拟物体边缘与中心反射率的差异，结合抖动技术后，能产生基于视角的透明度变化，特别适用于角色渲染与特效制作。
实现方法：创建Fresnel节点并将其输出与颜色参数相乘，随后将结果连接至Base Color，同时将Dither节点输出连接至Alpha Clip Threshold。
动态效果控制

通过脚本控制Dither参数可实现动态半透明效果。例如，根据摄像机与角色的距离动态调整Dither值，当摄像机靠近时角色逐渐变为半透明，有效避免摄像机穿帮现象。
高级应用场景

屏幕空间抖动优化

Dither节点在屏幕空间的应用确保抖动图案均匀分布，这对避免重复性图案与保持视觉一致性至关重要。理解屏幕坐标与抖动阈值的关系，有助于开发者实现更精细的视觉效果。
延迟渲染兼容性

在延迟渲染管线中，传统透明度处理常面临诸多限制。使用Dither节点模拟透明度效果具有显著优势，因为经抖动处理的表面仍作为不透明对象渲染，能够正常写入深度缓冲区并参与延迟光照计算。
性能优化技术

相比真正的透明度渲染，Dither节点具备更优的性能表现。它有效规避了透明度排序问题，减少overdraw，同时在视觉上提供相近的体验，特别适合大规模使用半透明效果的场景。
技术实现深度解析

算法代码分析

生成的HLSL代码揭示了Dither节点的内部工作机制。核心算法包含三个主要部分：坐标转换、阈值矩阵定义与索引计算。这种实现方式确保了高效的运行性能与一致的视觉效果。
阈值矩阵的设计基于数学上的最优分布，16个阈值经过精心计算，确保在各种情况下均能产生自然的抖动效果。每个阈值对应4x4像素块中的特定位置，通过模运算确定当前像素应使用的阈值。
自定义扩展可能性

尽管Dither节点提供标准化的抖动功能，开发者仍可通过Custom Function节点实现自定义抖动算法。这为特殊需求的应用场景提供了灵活性，允许根据项目要求调整抖动模式或阈值分布。
常见问题与解决方案

性能瓶颈识别

使用Dither节点时可能遭遇性能问题，尤其在低端设备上。通过合理配置阈值范围与优化节点连接，可在保持视觉效果的同时最小化性能开销。
视觉瑕疵处理

不当的抖动参数设置可能导致视觉瑕疵，如过于明显的噪声图案或不自然的边缘。通过细致调整阈值并测试不同场景下的表现，可找到最佳参数组合。
实际项目集成指南

材质参数配置

在项目中使用Dither节点时，合理的材质参数配置至关重要。Dither参数的默认值通常设为1，而Threshold参数则用于控制Alpha剪切的具体阈值。
脚本控制接口

通过C#脚本动态控制Dither参数可实现更具交互性的视觉效果。典型应用包括基于游戏状态的透明度变化、角色特殊状态指示与环境交互反馈。
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