【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

摘要

Unity ShaderGraph中的SceneColor节点是访问摄像机颜色缓冲区的关键工具，主要用于实现屏幕空间特效（如反射、折射、SSAO等）。该节点在URP/HDRP中通过采样CameraOpaqueTexture工作，需将材质设为Transparent类型且仅在片元着色器阶段有效。使用时需注意UV坐标为标准化屏幕空间值，不同渲染管线兼容性差异（Built-in管线不支持），以及性能优化问题。高级应用可结合深度缓冲实现景深、运动模糊等复杂效果，但需警惕移动端带宽消耗。开发者应充分测试跨平台表现，掌握该节点对提升URP特效开发能力至关重要。

Scene Color 节点是Unity Shader Graph中一个功能强大的工具节点，它允许着色器访问当前摄像机渲染的颜色缓冲区内容。这个节点在实现各种屏幕空间效果时起着关键作用，特别是在需要基于场景已有渲染结果进行后期处理或特殊效果制作的场景中。对于使用Universal Render Pipeline (URP)的开发者来说，理解并正确使用Scene Color节点是掌握高级着色器技术的重要一步。

Scene Color节点的核心功能是提供对摄像机当前帧缓冲区颜色的采样能力。这意味着在着色器执行时，可以获取到屏幕上特定位置已经渲染完成的颜色值，从而实现诸如反射、折射、屏幕空间环境光遮蔽(SSAO)、运动模糊等复杂效果。在URP渲染管线中，这个节点的行为有明确的定义，它实际上访问的是Camera Opaque Texture，这是一个包含所有不透明对象渲染结果的纹理。

需要注意的是，Scene Color节点的可用性和行为高度依赖于所使用的渲染管线。在传统的Built-in Render Pipeline中，此节点不被支持，而在URP和HDRP中则有完整的实现。这种差异源于不同渲染管线的架构设计和渲染流程的不同，开发者在使用时需要特别注意当前项目所使用的渲染管线类型。

描述

Scene Color节点的主要功能是允许开发者使用输入的UV坐标（标准化的屏幕坐标）来访问当前摄像机的颜色缓冲区。这个功能在实现各种屏幕空间效果时至关重要，因为它提供了对已经渲染到屏幕上的内容的直接访问能力。

在技术实现上，Scene Color节点采样的是当前帧的颜色缓冲区。这意味着它能够捕获到在渲染顺序上早于当前对象的所有对象的颜色信息。这种特性使得它特别适合用于实现需要基于场景现有状态的效果，比如水面的反射、玻璃的折射，或者各种全屏后处理效果。

重要注意事项：Scene Color节点的行为并不是在全局范围内统一定义的。实际上，此节点执行的HLSL代码是根据具体的渲染管线来定义的，不同的渲染管线可能会产生不同的结果。这意味着如果开发者正在创建支持自定义渲染管线的Shader Graph，需要显式定义此节点的行为。如果没有明确定义，Scene Color节点将返回0（黑色），这通常不是期望的结果。

在Universal Render Pipeline (URP)的具体实现中，Scene Color节点返回的是Camera Opaque Texture的值。Camera Opaque Texture是URP中的一个特殊概念，它存储了所有不透明对象渲染完成后的场景颜色。这个纹理在渲染透明对象之前就已经生成，因此透明对象可以通过采样这个纹理来获取它们背后不透明对象的颜色信息，从而实现正确的混合效果。

关于透明度的特别说明：Camera Opaque Texture的内容仅对透明对象可用。这意味着如果希望从Scene Color节点接收正确的值，必须在Graph Inspector的Graph Settings选项卡中将Surface Type下拉选单设置为Transparent。如果Surface Type设置为Opaque，Scene Color节点可能无法返回预期的结果，因为不透明对象的渲染顺序通常早于Camera Opaque Texture的生成。

着色器阶段限制：Scene Color节点只能在片元着色器阶段中使用。这是因为颜色缓冲区的采样操作需要在每个像素的基础上执行，这正是片元着色器的职责范围。尝试在顶点着色器或其他着色器阶段使用此节点将不会产生有效的结果。

支持的渲染管线兼容性

Scene Color节点在不同渲染管线中的支持情况是一个重要的考量因素。以下是详细的兼容性信息：

• 内置渲染管线(Built-in Render Pipeline)：不支持。在内置渲染管线中使用Scene Color节点将始终返回黑色(0,0,0)。如果项目使用内置渲染管线并需要类似功能，开发者可能需要考虑使用GrabPass或其他替代方案。
• 通用渲染管线(URP)：完全支持。在URP中，Scene Color节点对应的是Camera Opaque Texture，这是一个包含所有不透明对象渲染结果的纹理。URP透明地处理这个纹理的创建和管理，开发者只需在Shader Graph中正确使用Scene Color节点即可。
• 高清渲染管线(HDRP)：支持。HDRP中也提供了对Scene Color节点的完整支持，尽管其具体实现细节可能与URP有所不同。HDRP通常提供更高质量的颜色缓冲和更多的配置选项。

当在不支持的渲染管线中使用Scene Color节点时，为了保持着色器的稳定性，节点会返回0（黑色）。这种降级处理确保了着色器不会因为缺少功能而崩溃，但开发者需要意识到这可能不是期望的视觉效果。

端口

Scene Color节点包含两个主要端口：一个输入端口和一个输出端口。理解这些端口的特性和正确使用方法对于有效利用Scene Color节点至关重要。

输入端口：UV

UV输入端口是Scene Color节点的关键组成部分，它决定了从颜色缓冲区的哪个位置采样颜色。以下是关于UV端口的详细说明：

• 方向：输入
• 类型：Vector 4
• 绑定：屏幕位置（Screen Position）
• 描述：标准化的屏幕坐标

UV参数应该提供标准化的屏幕坐标，这意味着坐标值应该在[0,1]范围内，其中(0,0)通常对应屏幕的左下角，(1,1)对应屏幕的右上角。这种标准化使得着色器能够独立于实际屏幕分辨率工作，提高了代码的可移植性。

在实际使用中，UV输入通常连接到Screen Position节点的输出。Screen Position节点自动提供当前片元的标准化屏幕坐标，这是最常见的使用场景。然而，开发者也可以手动计算或修改UV坐标来实现特殊效果，比如屏幕扭曲、反射偏移等。

技术细节：虽然UV端口的类型是Vector 4，但通常只使用前两个分量（x和y）来表示屏幕坐标。z和w分量在某些高级用法中可能有特殊含义，但在基础使用中可以忽略。

输出端口：Out

Out端口提供从颜色缓冲区采样得到的颜色值：

• 方向：输出
• 类型：Vector 3
• 绑定：无
• 描述：输出值

输出的是RGB颜色值，每个分量通常在[0,1]范围内。这个颜色值代表了在指定UV坐标处颜色缓冲区中存储的颜色。

需要注意的是，输出的颜色值已经经过了当前摄像机的渲染设置和后期处理效果的影响（取决于URP的具体配置）。这意味着如果启用了色调映射、颜色分级或其他后处理效果，Scene Color节点返回的将是应用了这些效果之后的颜色。

精度考虑：在HDRP中，颜色缓冲区可能使用更高的精度格式（如FP16或FP32），这意味着颜色值可能超出传统的[0,1]范围。在这种情况下，开发者可能需要适当的色调映射或范围压缩来处理这些高动态范围颜色。

使用场景与示例

Scene Color节点在实时渲染中有广泛的应用场景。以下是一些常见的使用案例和详细的实现说明：

透明材质中的场景反射

这是Scene Color节点最经典的应用之一。通过采样场景颜色，透明材质（如玻璃、水面）可以模拟出对周围环境的反射效果。

实现步骤：

• 创建透明材质（Surface Type设置为Transparent）
• 使用Scene Color节点获取当前像素后的场景颜色
• 根据材质的反射特性混合原始颜色和采样到的场景颜色
• 可以结合法线贴图或屏幕空间偏移来模拟更复杂的反射效果

示例设置：

• 将Screen Position节点连接到Scene Color节点的UV输入
• 将Scene Color输出与材质的基础颜色进行混合
• 使用Fresnel效应控制反射强度（在掠射角增强反射）

屏幕空间折射效果

类似于反射，折射效果也可以通过Scene Color节点实现，通过偏移UV坐标来模拟光线弯曲。

实现方法：

• 使用法线信息计算UV偏移
• 将偏移后的UV传递给Scene Color节点
• 将采样结果用作透明材质的部分或全部颜色

高级技巧：

• 结合深度信息调整折射强度（近处物体折射更强）
• 使用多个采样点模拟色散效果
• 根据材质厚度调整折射程度

自定义全屏后处理效果

虽然URP提供了专门的后处理系统，但有时开发者可能需要通过Shader Graph创建自定义的全屏效果。

实现思路：

• 创建全屏四边形并使用Unlit Shader Graph
• 使用Scene Color节点获取每个像素的原始颜色
• 应用自定义的颜色处理算法
• 将结果输出到颜色缓冲区

典型应用：

• 自定义颜色分级LUT
• 风格化渲染效果
• 特殊屏幕扭曲效果

动态遮罩和混合效果

Scene Color节点可以用于创建基于屏幕空间的自定义混合效果，如溶解过渡、场景融合等。

实现方式：

• 采样当前场景颜色和目标场景颜色
• 使用遮罩纹理或程序化噪声控制混合因子
• 在两种状态之间平滑过渡

技术细节与最佳实践

要有效使用Scene Color节点，理解其技术细节和遵循最佳实践至关重要。

性能考量

Scene Color节点的使用会对性能产生一定影响，特别是在以下情况下：

• 带宽消耗：采样颜色缓冲区需要访问显存，这可能会成为性能瓶颈，特别是在移动设备上
• 过度绘制：复杂的效果可能导致多次采样或全屏采样，增加GPU负担
• 分辨率依赖：高分辨率下采样成本更高

优化建议：

• 只在必要时使用Scene Color节点
• 考虑使用较低分辨率的采样（通过缩放UV）
• 避免在每帧都需要更新的效果中过度使用

正确的UV处理

UV坐标的处理直接影响Scene Color节点的效果质量：

• 始终确保UV坐标在[0,1]范围内，除非有意处理边界情况
• 注意不同平台和API的纹理坐标原点可能不同（通常是左下角，但DirectX平台是左上角）
• 使用适当的纹理寻址模式处理边界采样

与深度缓冲区的配合使用

在许多高级效果中，需要同时访问颜色缓冲区和深度缓冲区：

• 使用Scene Depth节点获取深度信息
• 结合颜色和深度信息实现更复杂的效果（如软粒子、景深）
• 注意深度值的线性化处理

平台兼容性

不同平台对Scene Color节点的支持可能有所差异：

• 移动设备可能对全屏效果有更严格的性能限制
• 某些平台可能不支持特定的纹理格式或采样方式
• 需要进行充分的跨平台测试

生成的代码示例

Scene Color节点在生成的HLSL代码中的具体实现如下所示：

HLSL

void Unity_SceneColor_float(float4 UV, out float3 Out)
{
    Out = SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_COLOR(UV);
}

这个函数是Scene Color节点的核心实现，它接受一个float4类型的UV参数，并输出一个float3类型的颜色值。

代码分析：

• SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_COLOR是一个由Shader Graph系统定义的宏
• 具体的实现取决于所使用的渲染管线
• 在URP中，这个宏会展开为对Camera Opaque Texture的采样操作

在URP中的实际展开可能类似于：

HLSL

// URP中的可能实现
void Unity_SceneColor_float(float4 UV, out float3 Out)
{
    #if defined(REQUIRE_OPAQUE_TEXTURE)
        Out = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture, sampler_CameraOpaqueTexture, UV.xy).rgb;
    #else
        Out = float3(0, 0, 0);
    #endif
}

重要宏定义：

• REQUIRE_OPAQUE_TEXTURE：这个宏在Surface Type设置为Transparent时自动定义
• _CameraOpaqueTexture：URP提供的包含不透明对象颜色的纹理
• sampler_CameraOpaqueTexture：对应的采样器状态

开发者通常不需要直接关心这些底层实现，但了解这些细节有助于调试复杂问题和实现高级效果。

常见问题与解决方案

在使用Scene Color节点时，可能会遇到一些常见问题，以下是这些问题及其解决方案：

节点返回黑色

这是最常见的问题，通常由以下原因引起：

• Surface Type设置错误：确保在Graph Settings中将Surface Type设置为Transparent
• 渲染管线不支持：确认项目使用的是URP或HDRP，而不是Built-in Render Pipeline
• UV坐标错误：检查UV输入是否提供了有效的标准化屏幕坐标

采样结果不正确

当Scene Color节点返回的颜色不符合预期时：

• 检查UV坐标是否在[0,1]范围内
• 确认摄像机的渲染设置是否正确
• 验证后期处理效果是否影响了颜色缓冲区

性能问题

如果使用Scene Color节点导致性能下降：

• 减少采样次数或使用较低精度的采样
• 考虑使用mipmapping或预先降采样
• 优化着色器的其他部分以减少整体负担

平台特定问题

在不同平台上表现不一致：

• 检查不同平台的纹理格式支持
• 验证UV坐标处理在不同API下的一致性
• 进行充分的跨平台测试和优化

高级用法与技巧

对于有经验的开发者，Scene Color节点可以用于实现更复杂的效果：

多通道效果组合

结合多个Scene Color采样创建复杂效果：

• 使用不同偏移的多次采样模拟运动模糊
• 结合深度信息实现景深效果
• 使用历史缓冲区实现时间性抗锯齿(TAA)

自定义缓冲区处理

在URP中扩展Scene Color节点的使用：

• 通过自定义渲染器特征添加额外的颜色缓冲区
• 实现多通道渲染效果
• 创建自定义的后处理链

与计算着色器结合

在需要高性能处理的场景中：

• 使用Compute Shader处理Scene Color数据
• 实现GPU加速的图像处理算法
• 创建复杂的物理模拟效果

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