【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity URP Shader Graph中，Sample Cubemap节点是一个功能强大的工具，专门用于对立方体贴图资源进行采样操作。立方体贴图是一种特殊类型的纹理，由六个二维纹理面组成，形成一个完整的立方体环境映射。这种纹理格式在实时渲染中广泛应用于天空盒、环境反射、折射效果以及基于图像的光照计算。

Sample Cubemap节点的核心功能是根据给定的三维方向向量，从立方体贴图中获取对应的颜色信息。与普通的2D纹理采样不同，立方体贴图采样不需要UV坐标，而是使用方向向量来确定采样位置。这使得它特别适合表示全方位环境数据，如周围环境的全景视图。

在URP渲染管线中，Sample Cubemap节点优化了现代图形API的使用，包括对移动平台和高端PC平台的良好支持。它能够无缝集成到Shader Graph的可视化编程环境中，让开发者无需编写复杂的HLSL代码即可实现高级的立方体贴图效果。

该节点支持多种高级功能，包括多级渐远纹理采样、自定义采样器状态配置，以及与Shader Graph其他节点的灵活连接。这些特性使得Sample Cubemap节点成为创建高质量环境反射、天空盒渲染和复杂光照效果的关键工具。

描述

Sample Cubemap节点的主要作用是从立方体贴图资源中提取颜色信息，并将其转换为可在着色器中使用的Vector 4格式数据。立方体贴图本质上是一个由六个2D纹理组成的立方体结构，每个面对应立方体的正负X、Y、Z轴方向。这种结构使其能够完整地表示一个三维空间中的环境信息。

采样原理

立方体贴图的采样过程基于方向向量而非传统的UV坐标。当提供一个三维方向向量时，采样器会确定该向量与立方体哪个面的交点，并在对应的2D纹理上进行采样。这一过程完全在GPU层面实现，具有极高的效率。

在世界空间中进行采样时，方向向量通常需要归一化处理，以确保采样结果的准确性。方向向量的长度不会影响采样位置，只有方向本身决定了采样点。这意味着无论向量的模长是多少，只要方向相同，就会采样到立方体贴图上的同一位置。

LOD功能

Sample Cubemap节点支持细节级别参数，通常称为LOD。LOD技术允许在不同的观察距离或条件下使用不同精度的纹理版本。当LOD值为0时，采样器使用最高质量的原始纹理；随着LOD值的增加，采样器会使用预先生成的、分辨率更低的mipmap级别。

LOD功能在实现多种视觉效果时非常有用：

• 通过使用较高的LOD值，可以实现立方体贴图的模糊效果，常用于创建柔和的反射或远处的环境细节
• 在性能优化方面，可以根据物体与相机的距离动态调整LOD值，减少远处物体的纹理采样开销
• 在特定的艺术效果中，如梦境场景或水下效果，可以通过LOD控制环境反射的清晰度

自定义采样器

Sampler输入允许开发者定义自定义的采样器状态，包括纹理过滤模式和寻址模式等参数。默认情况下，节点使用立方体贴图资源自带的采样器设置，但通过此端口可以覆盖这些设置。

自定义采样器的应用场景包括：

• 更改纹理过滤模式，如在像素艺术风格中使用点过滤，或在高质量渲染中使用各向异性过滤
• 修改寻址模式，控制当采样方向超出正常范围时的行为
• 实现特殊的纹理采样效果，如边缘钳制或镜像重复

版本兼容性

如果在包含自定义函数节点或子图形的图形中使用Sample Cubemap节点时遇到纹理采样错误，这可能是由于早期Shader Graph版本的已知问题。Unity建议通过升级到10.3或更高版本来解决这些问题。新版本提供了更稳定的纹理采样机制和更好的节点兼容性。

升级到较新版本不仅可以解决采样错误，还能获得性能改进和新功能支持，如增强的立方体贴图压缩格式支持和改进的mipmap生成算法。

端口

Sample Cubemap节点包含多个输入和输出端口，每个端口都有特定的功能和数据类型。理解这些端口的作用对于正确使用该节点至关重要。

输入端口

• Cube端口：

  Cube端口是Sample Cubemap节点的主要输入，用于接收立方体贴图资源。此端口的数据类型是Cubemap，只能连接立方体贴图类型的资源。在Shader Graph中，可以通过Expose功能将立方体贴图作为材质的可配置属性，或在子图中定义特定的立方体贴图资源。

  使用Cube端口时需要注意：

  • 确保连接的资源确实是立方体贴图类型，普通的2D纹理无法正常工作
  • 立方体贴图的分辨率会影响采样质量和性能，需要根据目标平台和用途选择适当的分辨率
  • 立方体贴图的压缩格式会影响内存使用和视觉效果，在移动平台上尤其需要注意

• Dir端口：

  Dir端口接收Vector 3类型的方向向量，用于确定立方体贴图上的采样位置。此端口的世界空间绑定为法线空间，意味着输入的方向向量通常在世界空间坐标系中表示。

  Dir端口的使用要点：

  • 方向向量通常需要归一化处理，但非归一化的向量也能工作，采样器会自动处理
  • 向量的方向决定了采样点，与向量长度无关
  • 在实际应用中，方向向量可以来自表面法线、反射向量、视图方向或其他计算得到的方向数据

• Sampler端口：

  Sampler端口允许指定自定义的采样器状态，覆盖立方体贴图的默认采样设置。此端口是可选的，如果未连接，节点将使用立方体贴图资源自带的采样器状态。

  自定义采样器的常见配置：

  • 过滤模式：控制纹理缩放时的插值方式，如点过滤、双线性过滤、三线性过滤等
  • 寻址模式：定义当采样坐标超出[0,1]范围时的行为，如重复、钳制、镜像等
  • 各向异性级别：控制各向异性过滤的质量，适用于大角度观察纹理表面的情况

• LOD端口：

  LOD端口接收Float类型的值，用于指定采样的细节级别。当LOD值为0时，使用最高分辨率的mipmap级别；随着LOD值增加，使用更低分辨率的mipmap级别。

  LOD端口的应用场景：

  • 值为0：使用最清晰的纹理，适合近处物体的高质量反射
  • 值为1-3：使用中等模糊级别的纹理，适合中等距离的反射效果
  • 值大于3：使用高度模糊的纹理，适合远处环境或特殊视觉效果

输出端口

• Out端口：

  Out端口输出采样得到的Vector 4颜色值。这四个分量通常对应RGBA颜色通道，但具体含义取决于立方体贴图的内容和用途。

  输出颜色的应用方式：

  • 直接作为表面颜色，用于天空盒渲染
  • 与环境光、漫反射和镜面反射结合，实现基于图像的光照
  • 作为反射/折射效果的颜色来源
  • 与其他纹理或颜色数据混合，创建复杂的材质效果

生成的代码示例

Sample Cubemap节点在编译时生成的HLSL代码基于Unity的纹理采样函数。理解这些底层代码有助于更深入地掌握节点的功能，并在需要时进行自定义扩展。

基本代码结构

以下示例代码表示此节点的一种可能结果：

float4 _SampleCubemap_Out = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(Cubemap, Sampler, Dir, LOD);

这行代码展示了Sample Cubemap节点的核心功能：使用SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD宏对立方体贴图进行采样。该宏是Unity对HLSL原生texCUBElod函数的封装，提供了跨平台兼容性和优化。

代码分解

• SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD：这是Unity提供的宏，用于在着色器中采样立方体贴图的特定mipmap级别。它会根据目标平台和图形API转换为适当的采样指令。
• Cubemap：参数对应Cube输入端连接的立方体贴图资源。在编译后的代码中，这通常是一个纹理对象，通过Unity的材质属性系统或全局着色器属性进行绑定。
• Sampler：参数指定使用的采样器状态。如果通过Sampler输入端提供了自定义采样器，则使用该采样器；否则使用立方体贴图默认的采样器状态。
• Dir：参数是从Dir输入端接收的方向向量。这个向量决定了在立方体贴图上的采样位置，采样器会找到与该方向向量对应的立方体面和纹理坐标。
• LOD：参数控制采样的mipmap级别。当LOD为0时，使用最高分辨率的mipmap级别；随着LOD值增加，使用更低分辨率的mipmap级别，产生更模糊的结果。

变体与平台差异

根据目标平台和设置，Sample Cubemap节点可能会生成不同的代码变体：

• 在支持现代图形API的平台（如DX11、Vulkan、Metal）上，通常会使用更高效的采样指令
• 在移动平台上，可能会使用简化版的采样函数以减少着色器复杂度
• 当LOD输入端未连接或使用固定值时，编译器可能会优化为不使用LOD的采样函数，如SAMPLE_TEXTURECUBE
• 在特定的图形特性（如HDR渲染）启用时，采样函数可能会自动处理高动态范围数据

自定义扩展

了解生成的代码结构后，开发者可以在自定义函数节点中扩展Sample Cubemap节点的功能：

// 示例：自定义立方体贴图采样函数
void SampleCubemapCustom_float(TextureCube Cubemap, SamplerState Sampler, float3 Dir, float LOD, out float4 Out)
{
    // 基本采样
    Out = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(Cubemap, Sampler, Dir, LOD);

    // 自定义后处理：调整颜色
    Out.rgb = pow(Out.rgb, 1.0/2.2); // 简单的gamma校正

    // 自定义后处理：基于方向调整强度
    float intensity = saturate(dot(normalize(Dir), float3(0, 1, 0)));
    Out.rgb *= lerp(0.8, 1.2, intensity);
}

这种自定义扩展允许实现更复杂的立方体贴图效果，如方向相关的颜色调整、动态曝光补偿或特殊滤镜效果。

实际应用示例

Sample Cubemap节点在URP着色器开发中有多种实际应用。以下是一些常见的使用场景和实现方法。

环境反射

环境反射是Sample Cubemap节点最典型的应用之一。通过结合相机的反射向量和立方体贴图，可以实现高质量的实时反射效果。

实现环境反射的基本步骤：

• 使用Reflection Vector节点计算表面点的反射方向
• 将此方向向量连接到Sample Cubemap节点的Dir输入
• 将环境立方体贴图连接到Cube输入
• 将输出的颜色值与表面材质混合

高级环境反射技巧：

• 使用Fresnel效应控制反射强度，使掠射角度的反射更强烈
• 根据表面粗糙度调整LOD值，粗糙表面使用更高LOD产生模糊反射
• 结合屏幕空间反射，实现更准确的局部反射效果

天空盒渲染

Sample Cubemap节点可用于创建动态天空盒效果，特别是在需要程序化生成或动态修改天空的场景中。

天空盒实现方法：

• 使用片元的世界位置或视图方向作为采样方向
• 连接天空盒立方体贴图到Cube输入
• 可选：使用时间变量动态修改采样方向或LOD，实现云层移动或日夜变化效果

增强天空盒的技巧：

• 使用多个立方体贴图和混合操作实现复杂的多层天空
• 通过LOD控制远处天空的细节程度，优化性能
• 结合体积云或大气散射着色，增强视觉真实感

基于图像的照明

在PBR渲染流程中，Sample Cubemap节点常用于基于图像的照明，提供高质量的环境光照信息。

IBL实现流程：

• 使用表面法线采样辐照度图，提供漫反射环境光
• 使用反射向量采样预过滤的环境贴图，提供镜面反射
• 结合BRDF查找表，完成完整的PBR光照计算

优化技巧：

• 使用不同分辨率的立方体贴图平衡质量和性能
• 根据表面材质属性动态选择mipmap级别
• 在低端设备上简化IBL计算，如使用球谐函数近似

折射效果

Sample Cubemap节点也可以用于实现折射效果，如玻璃、水或其他透明材质的视觉效果。

折射实现方法：

• 使用折射向量而非反射向量作为采样方向
• 折射向量可以通过Refract节点计算，考虑表面法线和折射率
• 将采样结果与表面颜色混合，创建透明或半透明效果

高级折射技巧：

• 使用多个采样层模拟复杂折射，如毛玻璃或扭曲玻璃效果
• 结合深度信息调整折射强度，实现基于距离的效果变化
• 使用自定义的立方体贴图，包含专门为折射优化的环境信息

性能优化建议

在使用Sample Cubemap节点时，合理的性能优化可以确保应用在各种设备上都能流畅运行。

纹理优化

• 选择合适的立方体贴图分辨率，平衡视觉质量和内存占用
• 使用适当的纹理压缩格式，如ASTC用于移动设备，BC系列用于PC
• 确保立方体贴图具有完整的mipmap链，以支持LOD功能
• 考虑使用立方体贴图阵列，批量处理多个环境贴图

采样优化

• 仅在必要时使用高LOD值，避免不必要的模糊采样
• 在片段着色器中谨慎使用立方体贴图采样，考虑在顶点着色器中预计算简单情况
• 使用纹理流送系统，动态加载和卸载立方体贴图资源
• 对于静态环境，考虑将立方体贴图烘焙到光照贴图中

平台特定优化

• 在移动平台上，优先使用较低分辨率的立方体贴图
• 在支持tier分级的情况下，为不同设备等级配置不同质量的立方体贴图
• 使用Unity的Quality Settings系统，根据设备性能动态调整立方体贴图质量
• 考虑在低端设备上完全禁用某些立方体贴图效果，使用更简单的替代方案

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