【节点】[ViewVector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，ViewVector节点是一个基础且重要的工具节点，它提供了从网格顶点或片元指向摄像机的方向向量。这个节点返回的是未标准化的原始向量值，保留了原始的长度信息，为着色器编程提供了更多的灵活性和控制能力。
ViewVector节点的核心概念

ViewVector节点计算的是从当前处理的顶点或片元位置指向摄像机位置的向量。这个向量在计算机图形学中被称为视图方向向量或视线向量，是许多光照和渲染效果的基础计算要素。
未标准化向量的特点
ViewVector节点输出的向量是未标准化的，这意味着向量保留了其原始的长度信息。这与标准化向量（单位向量）有显著区别：

• 未标准化向量包含距离信息，向量的长度等于从表面点到摄像机的实际距离
  
• 标准化向量的长度始终为1，方向信息被保留但距离信息丢失
  
• 未标准化向量在需要距离计算的效果中特别有用，如雾效、距离衰减等
  

节点在渲染管线中的作用
在URP（Universal Render Pipeline）渲染流程中，ViewVector节点为着色器提供了关键的视角相关信息。它使得材质能够根据观察角度和距离产生动态变化，是实现许多高级视觉效果的基础。
端口配置与数据流

ViewVector节点仅包含一个输出端口，设计简洁但功能强大。
输出端口详解

• 名称：Out
  
• 方向：输出
  
• 类型：Vector 3
  
• 绑定：无
  
• 描述：网格顶点/片元的View Vector
  

这个三维向量输出包含了X、Y、Z三个分量，分别代表了在选定坐标空间中的方向分量。向量的方向始终是从表面点指向摄像机，这一特性在所有坐标空间中保持一致。
数据流处理机制
当Shader Graph处理材质时，ViewVector节点会在每个顶点或片元着色器阶段计算相应的视图向量：

• 在顶点着色器中，计算基于顶点位置
  
• 在片元着色器中，计算基于插值后的片元位置
  
• 计算基于当前渲染摄像机的变换矩阵
  

空间坐标系选择

ViewVector节点提供了四种不同的坐标空间选项，每种空间都有其特定的应用场景和计算特性。
Object空间

Object空间也称为模型空间或局部空间，这是3D模型自身的坐标系系统。
坐标系特性

• 原点位于模型的轴心点（Pivot）
  
• 坐标轴与模型的本地方向对齐
  
• 不受模型变换（位置、旋转、缩放）影响
  

数学计算原理
在Object空间中，View Vector的计算基于以下公式：
ViewVector = inverse(UNITY_MATRIX_M) × (CameraPos - VertexPos)
应用场景

• 需要基于模型自身方向的效果
  
• 模型局部空间的特效
  
• 与模型几何结构紧密相关的效果
  

示例应用
假设创建一个随着观察角度变化而变形的材质，在Object空间中使用ViewVector可以确保变形效果始终基于模型自身坐标系，不受模型在世界中旋转的影响。
View空间

View空间也称为摄像机空间或眼睛空间，这是以摄像机为原点的坐标系。
坐标系特性

• 原点位于摄像机位置
  
• Z轴指向摄像机的观察方向
  
• X轴向右，Y轴向上
  

数学计算原理
在View空间中，View Vector的计算简化为：
ViewVector = -VertexViewPos
应用场景

• 屏幕空间效果
  
• 与摄像机直接相关的特效
  
• 景深和雾效计算
  

示例应用
在实现边缘光效果时，使用View空间的ViewVector可以更直接地计算表面法线与视线角度，因为两者在同一坐标系中。
World空间

World空间是场景的全局坐标系，所有对象都以此空间为参考。
坐标系特性

• 原点位于场景的世界原点
  
• 坐标轴方向固定
  
• 受模型变换影响
  

数学计算原理
在World空间中，View Vector计算为：
ViewVector = CameraWorldPos - VertexWorldPos
应用场景

• 需要世界坐标一致性的效果
  
• 全局光照计算
  
• 环境效果如雾、大气散射
  

示例应用
创建距离雾效时，使用World空间的ViewVector可以准确计算表面点与摄像机的实际距离，实现基于真实距离的雾浓度变化。
Tangent空间

Tangent空间是基于表面法线和切线定义的局部坐标系。
坐标系特性

• 原点位于表面点
  
• Z轴与表面法线方向一致
  
• X轴与切线方向一致，Y轴与副切线方向一致
  

数学计算原理
在Tangent空间中，View Vector需要通过变换矩阵计算：
ViewVector = TBN × (CameraWorldPos - VertexWorldPos)
其中TBN是从世界空间到切线空间的变换矩阵
应用场景

• 法线贴图相关效果
  
• 各向异性材质
  
• 复杂的表面光照模型
  

示例应用
在实现各向异性高光时，使用Tangent空间的ViewVector可以确保高光方向正确跟随表面方向，不受模型整体旋转影响。
实际应用案例

基础边缘光效果

边缘光（Rim Light）是ViewVector节点最典型的应用之一，它能够在物体边缘创建发光效果。
实现原理
边缘光效果基于表面法线与视线方向的夹角。当表面几乎垂直于视线方向时（即边缘区域），应用较强的光照；当表面正对摄像机时，效果减弱。
Shader Graph设置步骤

• 添加ViewVector节点，空间设置为World
  
• 添加Normal Vector节点，空间设置为World
  
• 使用Dot Product节点计算法线与视线方向的点积
  
• 使用One Minus节点反转结果（使边缘值大，中心值小）
  
• 使用Power节点控制边缘宽度
  
• 使用Color节点定义边缘光颜色
  
• 使用Multiply和Add节点混合到最终颜色
  

参数调节技巧

• 点积结果控制边缘位置：值越小边缘越明显
  
• Power节点指数控制边缘锐度：值越大边缘越锐利
  
• 颜色强度控制发光强度
  

基于距离的透明效果

利用ViewVector的未标准化特性，可以创建基于距离的透明渐变效果。
实现原理
通过计算ViewVector的长度获取表面点与摄像机的实际距离，根据距离值控制材质透明度。
Shader Graph设置步骤

• 添加ViewVector节点，空间设置为World
  
• 使用Length节点计算向量长度（距离）
  
• 使用Remap节点将距离映射到0-1范围
  
• 使用Saturate节点钳制数值范围
  
• 将结果连接到Alpha通道
  

高级应用变体

• 非线性距离衰减：使用曲线节点控制透明度变化
  
• 距离阈值：使用Step或SmoothStep节点创建硬边或柔边过渡
  
• 多层透明度：结合多个距离区间创建复杂透明效果
  

反射强度控制

根据观察角度动态调整反射强度，模拟菲涅尔效应。
实现原理
菲涅尔效应描述了表面反射率随观察角度变化的物理现象。在掠射角（视线与表面几乎平行）时反射最强，正对表面时反射最弱。
Shader Graph设置步骤

• 添加ViewVector节点和Normal Vector节点
  
• 使用Dot Product节点计算两者点积
  
• 使用One Minus节点反转结果
  
• 使用Power节点控制菲涅尔效应强度
  
• 将结果作为反射强度的乘数
  

物理准确性考虑

• 使用Schlick近似公式提高物理准确性
  
• 考虑材质折射率对菲涅尔效应的影响
  
• 结合粗糙度调整菲涅尔效应范围
  

各向异性材质模拟

各向异性材质在不同方向上表现出不同的光学特性，如拉丝金属、光盘表面等。
实现原理
使用Tangent空间的ViewVector，结合切线方向计算各向异性高光。
Shader Graph设置步骤

• 添加ViewVector节点，空间设置为Tangent
  
• 使用Tangent Vector节点获取切线方向
  
• 基于ViewVector的X分量和切线方向计算各向异性高光
  
• 使用Noise节点或Texture节点添加方向性纹理
  
• 结合光照模型计算最终高光
  

高级技巧

• 使用多个切线方向模拟复杂各向异性
  
• 结合视差效果增强立体感
  
• 使用时间变量创建动态各向异性效果
  

性能优化与最佳实践

坐标空间选择策略

不同的坐标空间选择对性能有直接影响，需要根据具体需求权衡。
性能考虑因素

• Object空间：需要矩阵逆运算，计算成本较高
  
• View空间：计算简单，性能最佳
  
• World空间：需要世界位置计算，中等成本
  
• Tangent空间：需要TBN矩阵计算，成本最高
  

选择指南

• 优先考虑View空间，特别是屏幕空间效果
  
• 需要世界一致性时选择World空间
  
• 仅在必要时使用Object或Tangent空间
  

计算优化技巧

向量标准化控制
由于ViewVector节点输出未标准化向量，在不需要距离信息时应手动标准化：

• 添加Normalize节点标准化向量
  
• 仅在需要距离信息时保留原始向量
  

节点组合优化

• 避免重复计算相同空间下的ViewVector
  
• 使用Branch节点避免不必要的计算
  
• 合理使用LOD（Level of Detail）控制计算复杂度
  

平台兼容性考虑

移动平台优化

• 避免在片元着色器中频繁使用复杂ViewVector计算
  
• 在顶点着色器中预计算并插值
  
• 使用精度修饰符优化计算（half、fixed）
  

跨平台一致性

• 测试不同坐标系在不同平台上的行为
  
• 注意左右手坐标系差异
  
• 验证矩阵变换的一致性
  

高级技术与创意应用

动态变形效果

结合ViewVector与顶点偏移，创建基于观察角度的动态几何变形。
实现方法

• 使用ViewVector方向驱动顶点偏移
  
• 结合噪声纹理增加自然感
  
• 使用距离控制变形强度
  

应用场景

• 鼠标悬停效果
  
• 魔法力场变形
  
• 热浪扭曲效果
  

高级光照模型

将ViewVector集成到自定义光照模型中，实现更真实的材质表现。
镜面反射改进

• 使用ViewVector计算半角向量
  
• 实现各向异性高光模型
  
• 创建基于视角的镜面反射衰减
  

次表面散射模拟

• 使用ViewVector计算背面透光
  
• 结合厚度图实现真实散射
  
• 创建皮肤、蜡质等材质效果
  

投影与阴影技术

利用ViewVector增强投影和阴影效果的真实感。
柔和阴影优化

• 基于视角角度调整阴影柔和度
  
• 实现透视正确的阴影变形
  
• 创建接触硬化阴影效果
  

投影纹理改进

• 使用ViewVector校正投影透视
  
• 实现基于视角的投影淡化
  
• 创建全息投影效果
  

故障排除与常见问题

向量方向错误

问题表现
效果方向与预期相反或错乱。
解决方案

• 检查坐标系选择是否正确
  
• 验证向量计算顺序（指向摄像机）
  
• 检查摄像机变换矩阵
  

性能问题

问题表现
着色器编译缓慢或运行时帧率下降。
优化策略

• 简化不必要的ViewVector计算
  
• 在低端设备上降低计算精度
  
• 使用更高效的坐标空间
  

平台特异性问题

问题表现
在不同平台或渲染管线上效果不一致。
解决思路

• 测试所有目标平台
  
• 使用URP内置函数确保兼容性
  
• 检查渲染管线设置和配置
  

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