【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

摘要

Unity URP中的SceneDepth节点是ShaderGraph的重要工具，可直接访问摄像机深度缓冲区数据，用于实现各类基于深度的视觉效果。该节点支持三种深度采样模式（Linear01/Raw/Eye），适用于不同渲染需求，如雾效、边缘检测等。使用时需注意性能优化和平台兼容性，并可通过深度值与UV坐标重建3D位置信息。典型应用包括水下折射、软粒子等特效实现，是增强场景真实感和特殊效果的关键技术。

Scene Depth 节点是Unity URP Shader Graph中一个功能强大的工具，它允许着色器访问当前摄像机的深度缓冲区信息。深度缓冲区存储了场景中每个像素到摄像机的距离数据，这些数据在渲染过程中用于确定物体的前后关系。通过Scene Depth节点，开发者可以创建各种基于深度的视觉效果，如水下折射、雾效、边缘检测等高级渲染特性。

在实时渲染中，深度信息是至关重要的。传统的渲染流程使用深度测试来决定哪些片段应该被渲染，哪些应该被丢弃。而Scene Depth节点则让开发者能够在着色器中直接读取这些深度值，从而实现对渲染效果的精细控制。这种能力为创建复杂的视觉特效打开了新的可能性。

深度缓冲区的工作原理是存储每个像素的深度值，通常以非线性的方式分布，以更好地利用精度。在透视投影中，靠近摄像机的物体拥有更高的深度精度，而远处的物体精度较低。理解这种分布特性对于正确使用Scene Depth节点至关重要。

描述

Scene Depth节点的核心功能是允许使用输入UV（标准化的屏幕坐标）访问当前摄像机的深度缓冲区。这意味着开发者可以查询场景中任意屏幕位置对应的深度值，从而了解该位置在3D空间中的深度信息。

深度缓冲区访问要求

要成功使用Scene Depth节点，必须在活动的渲染管线上启用深度缓冲区。这一过程的具体实现方式因渲染管线而异：

• 在URP（Universal Render Pipeline）中，深度纹理通常默认启用，但可能需要检查渲染管线资产的设置
• 对于自定义渲染管线，需要显式配置以生成和访问深度缓冲区
• 在某些平台上，可能需要额外的设置来确保深度缓冲区的可用性

如果深度缓冲区不可用，Scene Depth节点将返回中灰色（RGB 0.5, 0.5, 0.5），这可以作为调试深度缓冲区状态的视觉指示器。

渲染管线兼容性

Scene Depth节点的HLSL代码实现是根据特定的渲染管线定义的，这意味着不同的渲染管线可能会产生不同的结果：

• URP和HDRP提供了对此节点的原生支持
• 自定义渲染管线需要显式定义Scene Depth节点的行为
• 如果未在自定义渲染管线中定义相关功能，节点将返回1（白色）

着色器阶段限制

Scene Depth节点只能在片元着色器阶段使用，这是因为它需要访问已经渲染的深度缓冲区信息。在顶点着色器阶段，深度缓冲区数据尚未完全生成，因此无法使用此节点。

端口

Scene Depth节点的端口配置决定了如何向节点提供输入数据以及如何获取输出结果。正确理解和使用这些端口是实现预期效果的关键。

输入端口

UV输入端口是Scene Depth节点的主要输入接口，它接受Vector 4类型的标准化屏幕坐标：

• 该端口通常绑定到屏幕位置节点，以获取当前片元的屏幕坐标
• 可以使用其他方式生成UV坐标，如自定义计算或纹理采样
• UV坐标的范围应在[0,1]之间，表示从屏幕左下角到右上角的标准化位置
• 如果提供的UV坐标超出[0,1]范围，结果可能未定义或产生错误值

在实际使用中，最常见的做法是将Screen Position节点的输出连接到Scene Depth节点的UV输入端口。Screen Position节点提供了多种坐标空间选项，其中"Default"模式提供的就是标准化屏幕坐标，非常适合与Scene Depth节点配合使用。

输出端口

Out输出端口提供从深度缓冲区采样得到的深度值：

• 输出值为Float类型，表示指定屏幕位置的深度信息
• 具体的数值范围和含义取决于选择的深度采样模式
• 输出值可以直接用于后续的计算或作为其他节点的输入

理解输出值的含义对于正确使用Scene Depth节点至关重要。不同的深度采样模式会产生不同范围和含义的深度值，开发者需要根据具体需求选择合适的模式。

深度采样模式

Scene Depth节点提供了三种不同的深度采样模式，每种模式都以不同的方式解释和返回深度值。选择合适的采样模式对于实现特定的视觉效果至关重要。

Linear01模式

Linear01模式返回介于0和1之间的线性深度值：

• 0表示深度值位于摄像机的近裁剪平面
• 1表示深度值位于摄像机的远裁剪平面
• 中间值表示在近远裁剪平面之间的线性插值

这种模式特别适合需要基于摄像机距离进行线性计算的效果：

• 线性雾效的实现，其中雾的密度随距离线性增加
• 基于距离的渐隐效果
• 水平面效果，如水下场景的视觉处理

Linear01深度值的计算通常涉及将透视投影的非线性深度缓冲值转换回线性空间。这一转换需要知道摄像机的近远裁剪平面距离，Unity的Scene Depth节点在内部处理了这一复杂计算。

Raw模式

Raw模式返回原始深度缓冲区中的值：

• 这些值通常是非线性的，在透视投影中更精确地分布靠近摄像机的深度
• 具体数值范围取决于图形API和深度缓冲区格式
• 在大多数情况下，Raw深度值不能直接解释为实际距离

Raw模式适用于需要最高性能或特定图形效果的场景：

• 深度比较操作，如软粒子的实现
• 自定义的深度解码和处理
• 需要直接操作原始深度数据的特殊效果

使用Raw模式时，开发者需要了解特定平台和渲染设置下的深度缓冲区编码方式，这可能因图形API（DirectX、OpenGL、Vulkan等）而异。

Eye模式

Eye模式返回转换为眼睛空间单位的深度值：

• 眼睛空间是以摄像机为原点的坐标系
• 深度值表示从摄像机到场景点的实际距离
• 数值范围从近裁剪平面距离到远裁剪平面距离

Eye模式最适合需要实际距离计算的效果：

• 物理准确的雾效计算
• 基于真实距离的照明衰减
• 需要精确3D空间信息的后期处理效果

Eye深度值是通过将原始深度缓冲区值反投影到3D空间计算得到的，这涉及到视图-投影矩阵的逆变换。Scene Depth节点在内部处理了这一复杂数学运算，为开发者提供了方便的接口。

生成的代码示例

理解Scene Depth节点在底层生成的代码有助于更深入地掌握其工作原理，并在需要时进行自定义扩展。

基础实现

以下示例代码表示Scene Depth节点在Raw模式下的一种可能实现：

void Unity_SceneDepth_Raw_float(float4 UV, out float Out)
{
    Out = SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_DEPTH(UV);
}

这段代码展示了一个简单的深度采样函数：

• 函数接受标准化屏幕坐标作为输入
• 使用SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_DEPTH宏从深度缓冲区采样
• 返回原始深度值

SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_DEPTH是一个由Unity定义的宏，它抽象了不同平台和渲染管线之间的差异，确保深度采样的正确性。

不同模式的实现差异

对于不同的深度采样模式，生成的代码会有显著差异：

Linear01模式可能需要额外的计算将原始深度值转换为线性空间：

void Unity_SceneDepth_Linear01_float(float4 UV, out float Out)
{
    float rawDepth = SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_DEPTH(UV);
    Out = Linear01Depth(rawDepth, _ZBufferParams);
}

Eye模式涉及更复杂的坐标变换：

void Unity_SceneDepth_Eye_float(float4 UV, out float Out)
{
    float rawDepth = SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_DEPTH(UV);
    Out = LinearEyeDepth(rawDepth, _ZBufferParams);
}

在这些实现中，_ZBufferParams是一个Unity内置变量，包含了解码深度缓冲区所需的参数，如近远裁剪平面信息。

自定义扩展

了解生成的代码结构后，开发者可以创建自定义的深度处理函数：

void CustomDepthProcessing_float(float4 UV, float depthScale, out float Out)
{
    float sceneDepth = SHADERGRAPH_SAMPLE_SCENE_DEPTH(UV);
    // 自定义深度处理逻辑
    Out = sceneDepth * depthScale;
}

这种灵活性允许实现特殊的深度效果，如非标准的深度重映射、基于深度的颜色校正等。

实际应用示例

Scene Depth节点在实战中有广泛的应用，以下是一些常见的用例和实现方法。

水下折射效果

创建逼真的水下效果通常需要结合深度信息来模拟光的折射：

• 使用Scene Depth节点采样水面下的深度
• 根据深度差计算折射偏移量
• 应用偏移到屏幕空间UV坐标
• 采样场景颜色纹理创建折射效果

实现步骤：

1. 创建水面着色器并启用透明渲染
2. 使用Grab Pass或URP的Opaque Texture获取场景颜色
3. 使用Scene Depth节点计算水面上下点的深度差
4. 根据深度差计算折射强度
5. 偏移UV坐标并采样场景颜色

这种技术可以创建从水面看向水下物体时的折射扭曲效果，深度差越大，折射效果越明显。

距离雾效

基于深度的雾效是Scene Depth节点的经典应用：

• 使用Linear01或Eye模式获取深度值
• 根据深度计算雾的密度
• 将雾颜色与场景颜色混合

实现方法：

1. 在后处理效果或场景着色器中使用Scene Depth节点
2. 选择合适的深度模式（通常Linear01或Eye）
3. 定义雾的起始和结束距离
4. 使用平滑函数（如smoothstep）计算雾的混合因子
5. 根据混合因子混合场景颜色和雾颜色

通过调整雾参数，可以创建各种大气效果，从薄雾到浓雾，甚至模拟特定的环境条件。

边缘检测

深度信息可以用于检测场景中的几何边缘：

• 采样当前像素及其周围像素的深度
• 计算深度差异
• 根据差异阈值标识边缘

实现步骤：

1. 定义采样偏移量（通常为1-2像素）
2. 在多个方向采样深度值
3. 计算深度梯度或差异
4. 应用阈值检测显著边缘
5. 可选：结合法线或颜色信息提高边缘检测质量

这种边缘检测技术可用于卡通渲染、特殊视觉效果或视觉辅助工具。

软粒子

软粒子通过深度比较实现粒子与场景几何体的平滑混合：

• 采样粒子位置和场景深度
• 计算深度差异
• 根据差异调整粒子透明度

实现方法：

1. 在粒子着色器中访问场景深度
2. 计算粒子深度与场景深度的差异
3. 当粒子接近场景几何体时，逐渐淡出粒子
4. 使用平滑函数控制淡出曲线

软粒子效果消除了粒子与几何体交界的硬边缘，创建更自然的视觉融合。

性能考虑和最佳实践

使用Scene Depth节点时，性能是需要考虑的重要因素，特别是在移动平台或复杂场景中。

性能影响

深度采样可能对性能产生显著影响：

• 每次深度采样都需要从纹理中读取数据，这可能成为带宽瓶颈
• 在移动平台上，深度采样可能特别昂贵
• 复杂的深度处理（如多采样或复杂计算）会增加着色器执行时间

为了优化性能：

• 尽量减少深度采样的次数
• 考虑使用深度预计算或缓存
• 在可能的情况下，使用较低精度的深度格式
• 避免在每帧每像素上进行复杂的深度处理

平台兼容性

不同平台对深度缓冲区的支持可能有所不同：

• 某些移动设备可能不支持深度纹理读取
• 不同的图形API可能有不同的深度缓冲区格式
• 在多平台项目中，需要测试深度效果在所有目标平台上的表现

应对策略：

• 提供深度效果的备选方案或简化版本
• 使用着色器功能关键字根据平台条件编译不同代码路径
• 在项目设置中确保深度纹理在所有目标平台上可用

调试技巧

调试深度相关效果时，可视化深度值非常有用：

• 将深度值直接输出为颜色，创建深度可视化
• 使用不同的颜色映射方案强调特定的深度范围
• 添加调试控件，实时调整深度参数

常用的调试方法包括：

• 创建深度可视化着色器，将深度值映射到颜色梯度
• 使用Unity的Frame Debugger检查深度缓冲区
• 添加滑块和其他UI控件，方便调整深度参数

高级技巧和创意应用

掌握了Scene Depth节点的基础后，可以探索更高级的应用和创意效果。

深度重建世界位置

通过深度值和屏幕UV，可以重建世界空间位置：

• 使用深度值和逆视图-投影矩阵
• 将屏幕UV和深度转换为世界坐标
• 实现基于世界坐标的复杂效果

这种方法可以用于：

• 在屏幕空间着色器中访问3D位置信息
• 实现与世界坐标相关的效果，如全局风场或力场
• 创建需要精确3D信息的后期处理效果

多层深度效果

结合多个深度采样创建复杂效果：

• 采样不同偏移位置的深度值
• 计算深度梯度或曲率
• 创建基于深度变化的视觉效果

应用场景包括：

• 模拟视线追踪效果
• 创建非真实感渲染风格
• 实现复杂的材质效果，如湿润表面或腐蚀效果

动态深度处理

在运行时修改或响应深度信息：

• 根据游戏事件动态改变深度处理参数
• 创建与玩家交互的深度效果
• 实现时间相关的深度变化

这种动态处理可以用于：

• 创建魔法效果，如暂时显示隐藏物体
• 实现环境谜题，基于深度解决
• 增强游戏叙事，通过深度变化传达信息

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