【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

Scene Depth Difference 节点是Unity URP Shader Graph中一个功能强大的深度处理工具，它能够计算指定世界空间位置与场景深度缓冲区中对应位置的深度差异。这个节点在实现各种高级视觉效果中扮演着关键角色，特别是在需要基于深度信息进行精确计算的应用场景中。

深度差异计算在实时渲染中具有广泛的应用价值，从简单的物体检测到复杂的视觉效果实现，都离不开对场景深度信息的精确处理。Scene Depth Difference 节点的核心价值在于它提供了一种标准化的方式来访问和比较深度信息，使得着色器开发者能够专注于视觉效果的实现，而不需要深入了解底层深度缓冲区的复杂细节。

在理解这个节点的工作原理时，需要明确深度缓冲区的概念。深度缓冲区是图形渲染管线中的一个特殊缓冲区，它存储了每个像素距离相机的深度值。Scene Depth Difference 节点通过采样这个缓冲区，并将其与指定的世界空间位置进行比较，从而得到深度差异值。

节点描述详解

Scene Depth Difference 节点的核心功能是计算输入的世界空间位置与场景深度缓冲区中指定UV位置处的深度值之间的差异。这个差异值可以基于不同的模式进行计算，每种模式都有其特定的应用场景和计算方式。

世界空间位置输入代表了场景中的一个具体点，而场景深度UV则指定了要采样的深度缓冲区位置。当这两个输入被提供时，节点会执行以下计算流程：首先根据提供的UV坐标采样深度缓冲区，获取该位置存储的深度值；然后将这个世界空间位置转换为相对于相机的深度值；最后计算两者之间的差异并按照选定的模式输出。

深度差异的计算不仅仅是简单的数值相减，它还涉及到坐标空间的转换和数值的规范化处理。在不同的渲染模式下，深度值的存储方式和取值范围可能有所不同，Scene Depth Difference 节点封装了这些复杂性，为开发者提供了统一的接口。

这个节点特别适用于需要基于深度信息进行判断的着色器效果，比如水面的交互、物体的轮廓检测、深度为基础的材质混合等。通过精确的深度差异计算，开发者可以创建出更加真实和引人入胜的视觉效果。

端口配置与功能

Scene Depth Difference 节点包含三个主要端口，每个端口都有特定的数据类型和功能定义。正确理解和使用这些端口是实现预期效果的关键。

Scene UV 输入端口

Scene UV 输入端口接受Vector4类型的数据，用于指定采样深度缓冲区时使用的UV坐标。这个端口的重要性在于它决定了要从深度缓冲区的哪个位置读取深度值。

UV坐标的映射方式遵循标准的纹理采样规则：

• UV坐标的(0,0)对应深度缓冲区的左下角
• UV坐标的(1,1)对应深度缓冲区的右上角
• 超出[0,1]范围的UV坐标会根据纹理的Wrap Mode进行处理

在实际使用中，Scene UV通常通过Screen Position节点获取，这样可以确保采样的位置与当前像素位置对应。例如，可以将Screen Position节点的Output参数设置为Tiled，然后连接到Scene UV端口，这样就能获取与当前渲染像素对应的深度值。

对于特殊效果，也可以使用自定义的UV坐标，比如通过时间变化的UV来实现扫描线效果，或者使用噪声纹理来创建非均匀的采样模式。

Position WS 输入端口

Position WS 输入端口接受Vector3类型的数据，表示世界空间中的位置坐标。这个位置将用于与深度缓冲区中的值进行比较，计算深度差异。

世界空间位置通常来自以下来源：

• 通过Position节点获取当前顶点的世界空间位置
• 通过自定义计算得到的世界空间坐标
• 通过其他节点转换得到的空间位置

需要注意的是，提供的位置坐标应该是有效的世界空间坐标，且应该在相机的可视范围内。如果位置在相机视锥体之外，深度比较可能产生不可预期的结果。

在实际应用中，Position WS的精度对最终结果有重要影响。特别是在需要高精度深度比较的场景中，确保世界空间位置的准确性至关重要。

Out 输出端口

Out 输出端口提供Float类型的深度差异值，具体数值的含义取决于选择的模式。这个输出值可以用于驱动各种基于深度的效果。

输出值的范围和处理方式：

• 在Linear01模式下，输出值被规范化为[0,1]范围，0表示位置与深度缓冲区值一致，正值表示位置在深度缓冲区前方，负值表示在后方
• 在Eye模式下，输出值以世界单位表示差异，直接反映实际的空间距离
• 在Raw模式下，输出原始的深度缓冲区值，需要开发者自行处理后续计算

输出值的符号约定通常是：当Position WS比深度缓冲区中的位置更靠近相机时，输出正值；当Position WS比深度缓冲区中的位置更远离相机时，输出负值；当两者深度一致时，输出零。

深度模式详解

Scene Depth Difference 节点提供了三种深度处理模式，每种模式都有其特定的应用场景和计算特性。正确选择深度模式对于实现预期的视觉效果至关重要。

Linear01 模式

Linear01模式将深度差异值规范化为0到1的范围，这种规范化处理使得深度值更容易在着色器中进行后续计算和效果混合。

Linear01模式的主要特点包括：

• 输出值范围固定为[0,1]，便于与其他规范化值进行运算
• 深度差异被线性映射，保持了数值的相对关系
• 适合用于需要与颜色值或其他[0,1]范围参数进行混合的效果

这种模式特别适用于以下场景：

• 深度为基础的透明度效果，如水面与水下物体的混合
• 基于深度的边缘检测和轮廓渲染
• 深度雾效和大气散射效果

在Linear01模式下，深度值的映射关系是线性的，这意味着数值的变化与实际距离的变化成正比。这种线性特性使得它特别适合用于需要精确距离计算的效果。

Eye 模式

Eye模式提供与相机空间对齐的深度值，输出值以世界单位表示，直接反映实际的空间距离差异。

Eye模式的核心特性：

• 输出值以场景单位表示，如米、厘米等
• 数值直接对应实际的空间距离差异
• 保持与相机视角的空间一致性

这种模式适用于需要真实世界距离计算的效果：

• 精确的碰撞检测和物理交互
• 基于真实距离的视觉效果，如真实的水深效果
• 需要与物理参数精确匹配的着色器效果

Eye模式的一个关键优势是它的直观性，开发者可以直接理解输出值的物理意义，便于调试和效果调整。

Raw 模式

Raw模式直接输出深度缓冲区的原始值，不进行任何额外的处理或转换。这种模式为高级用户提供了最大的灵活性，但也需要开发者对深度缓冲区的存储格式有深入了解。

Raw模式的特点：

• 输出深度缓冲区的原始数据
• 需要开发者自行处理后续的深度值解释
• 提供最低层次的深度数据访问

Raw模式适用于以下高级应用：

• 自定义的深度解码和处理算法
• 需要访问特定图形API深度格式的场景
• 深度缓冲区的特殊处理效果

使用Raw模式时，开发者需要了解目标平台的深度缓冲区格式，不同的图形API和渲染设置可能会使用不同的深度存储格式。

实际应用示例

Scene Depth Difference 节点在实际项目中有广泛的应用，下面通过几个典型示例展示其使用方法和技术细节。

水面交互效果实现

水面交互是Scene Depth Difference 节点的经典应用场景。通过比较水面位置与场景深度，可以检测水面与水下物体的交互区域，并据此生成波纹、泡沫等效果。

基本实现步骤：

• 创建水面材质的Shader Graph
• 添加Scene Depth Difference节点，设置Mode为Linear01
• 将水面世界位置连接到Position WS端口
• 使用Screen Position节点连接到Scene UV端口
• 根据深度差异值驱动波纹纹理的强度和范围

关键技术细节：

• 使用深度差异的绝对值来确定交互强度
• 通过smoothstep函数创建平滑的交互边界
• 结合时间参数实现动态的波纹扩散效果

进阶技巧可以包括：

• 根据深度差异值调整法线贴图强度
• 使用深度差异驱动泡沫纹理的生成
• 实现多层次的水面交互效果

深度边缘检测

基于深度的边缘检测可以用于实现卡通渲染轮廓、特殊高光效果或者视觉提示。Scene Depth Difference 节点在这种应用中能够精确检测深度不连续的区域。

实现方法：

• 使用多个Scene Depth Difference节点采样相邻像素的深度
• 计算深度值的梯度或差异
• 根据差异强度生成边缘线条

优化技巧：

• 使用深度差异的阈值控制来避免过度检测
• 结合法线差异进行更精确的边缘判断
• 应用高斯模糊来平滑边缘检测结果

这种技术特别适用于：

• 非真实感渲染的轮廓效果
• 场景重点区域的视觉突出
• 特殊风格化的画面处理

深度雾效与大气效果

Scene Depth Difference 节点可以用于创建基于深度的雾效和大气散射效果，通过深度差异值控制雾的密度和颜色混合。

实现流程：

• 计算当前像素位置与场景几何体的深度差异
• 使用深度差异值驱动雾效的强度
• 结合距离和高度参数创建真实的大气效果

高级应用包括：

• 体积雾和光线散射效果
• 深度为基础的颜色校正
• 多层次的大气透视效果

碰撞检测与交互反馈

在着色器中实现实时的碰撞检测和交互反馈是Scene Depth Difference 节点的另一个重要应用。通过比较物体表面位置与场景深度，可以检测物体与其他几何体的接近程度。

应用场景：

• 角色与环境的交互效果
• 武器与场景的碰撞检测
• 动态物体的接近提示

实现要点：

• 使用Eye模式获取真实的距离信息
• 设置合适的阈值来定义交互范围
• 结合表面法线信息增强视觉效果

性能优化与最佳实践

在使用Scene Depth Difference 节点时，合理的性能优化和编码实践对于确保渲染效率至关重要。

性能考量

深度缓冲区采样是相对昂贵的操作，特别是在移动平台或低端硬件上。以下因素会影响性能：

采样成本因素：

• 深度缓冲区的分辨率和格式
• 采样次数和采样模式
• 目标平台的纹理采样能力

优化策略：

• 尽量减少不必要的深度采样
• 使用较低精度的深度格式当精度要求不高时
• 合理使用mipmap和纹理过滤设置

精度控制

深度计算的精度对于最终效果的质量有重要影响，特别是在需要高精度深度比较的场景中。

精度影响因素：

• 深度缓冲区的位深度
• 数值计算的精度设置
• 坐标转换的累积误差

精度优化方法：

• 在关键区域使用高精度深度缓冲区
• 合理安排计算顺序减少精度损失
• 使用合适的数值规范化策略

平台兼容性

不同平台对深度缓冲区的支持和行为可能有所不同，确保跨平台兼容性是开发过程中需要考虑的重要因素。

平台差异包括：

• 深度缓冲区的可用格式和精度
• 深度值的范围和分布
• 特殊平台的限制和优化机会

兼容性保证措施：

• 测试主要目标平台的深度功能
• 提供不同精度的回退方案
• 针对特定平台进行优化调整

常见问题与解决方案

在使用Scene Depth Difference 节点时，开发者可能会遇到各种问题，了解这些常见问题及其解决方案有助于提高开发效率。

深度值异常问题

深度值显示异常是常见的问题之一，可能表现为全黑、全白或不正确的数值。

可能原因和解决方案：

• 深度缓冲区未正确初始化：检查相机的深度纹理设置
• UV坐标映射错误：验证Screen Position节点的配置
• 空间坐标系不一致：确保所有位置数据使用相同的空间坐标系

调试技巧：

• 使用Color节点可视化中间结果
• 逐步检查每个端口的输入值
• 对比不同模式下的输出结果

性能问题诊断

当遇到性能下降时，需要系统性地诊断可能的原因。

性能问题排查步骤：

• 使用性能分析工具确定瓶颈位置
• 检查深度采样的频率和范围
• 评估深度缓冲区的分辨率和格式设置

优化建议：

• 减少不必要的深度采样操作
• 使用合适的LOD和mipmap策略
• 考虑在低端设备上降低效果质量

视觉效果调整

获得理想的视觉效果通常需要细致的参数调整和效果优化。

调整策略：

• 逐步调整参数观察效果变化
• 使用参考图像或视频作为调整目标
• 在不同 lighting 条件下测试效果一致性

进阶技巧：

• 使用曲线调整节点优化数值映射
• 结合多个深度采样点创建更复杂的效果
• 利用深度差异的导数信息增强细节表现

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