【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity URP Shader Graph中，Sample Reflected Cubemap节点是一个功能强大的工具，专门用于实现基于物理的反射效果。该节点通过计算反射矢量并对立方体贴图进行采样，能够为材质添加逼真的环境反射，是现代实时渲染中不可或缺的组件。无论是创建光滑的金属表面、湿润的地面，还是任何需要环境反射的场景，这个节点都能提供高质量的视觉效果。

Sample Reflected Cubemap节点的核心工作原理基于光学反射定律。它接收视图方向和表面法线作为输入，计算出入射光线的反射方向，然后使用这个反射方向从立方体贴图中采样相应的颜色信息。这种机制模拟了真实世界中光线从不同角度照射到物体表面后反射到人眼的过程。

与传统的固定功能着色器相比，Shader Graph中的Sample Reflected Cubemap节点提供了更高的灵活性和可控性。开发者可以通过调整各种输入参数来精确控制反射效果的外观，包括反射的强度、模糊程度以及采样方式等。这种可视化的工作流程大大降低了创建复杂着色器的门槛，使得即使没有深厚着色器编程经验的艺术家也能创造出专业的视觉效果。

描述

Sample Reflected Cubemap节点的主要功能是通过反射矢量对立方体贴图进行采样，并返回一个Vector 4类型的颜色值供着色器使用。这个节点是实现环境反射、镜面反射和其他基于反射的视觉效果的关键工具。

基本原理和工作机制

该节点的工作原理基于标准的反射计算。它需要两个关键的输入参数：视图方向和法线向量。视图方向表示从表面点到摄像机的方向，而法线向量定义了表面的朝向。节点内部会计算反射矢量，公式为：R = reflect(-ViewDir, Normal)，其中reflect是HLSL内置函数，用于计算入射光线关于法线的反射方向。

计算得到的反射矢量随后被用于对立方体贴图进行采样。立方体贴图是一种特殊的环境纹理，它包含了从中心点向六个方向（前、后、左、右、上、下）拍摄的图像，形成了一个完整的环境包围盒。当反射矢量指向立方体贴图的某个特定方向时，相应的纹理像素就会被采样并作为输出颜色返回。

高级功能特性

除了基本的反射采样功能外，Sample Reflected Cubemap节点还提供了几个高级功能：

• LOD（Level of Detail）控制：LOD输入允许在不同的细节级别对立方体贴图进行采样。当LOD值为0时，采样的是最高分辨率的原始纹理；随着LOD值的增加，采样的是经过预过滤的、更模糊的纹理版本。这个功能特别有用于实现粗糙表面的模糊反射效果，或者根据表面粗糙度动态调整反射的清晰度。
• 自定义采样器状态：通过Sampler输入，用户可以定义自定义的采样器状态，包括纹理的过滤模式（点过滤、线性过滤、各向异性过滤）和寻址模式（钳制、重复、镜像等）。这提供了对采样过程的精细控制，可以根据具体需求优化图像质量或性能。
• 空间坐标系支持：节点的输入向量（视图方向和法线）需要在相同的坐标系空间中定义。虽然端口绑定默认为物体空间，但实际上可以使用任何一致的空间，如世界空间、切线空间等，这为不同的渲染需求提供了灵活性。

版本兼容性和问题解决

需要注意的是，在早期版本的Shader Graph中，当在包含自定义函数节点或子图形的图形中使用Sample Reflected Cubemap节点时，可能会遇到纹理采样错误。这些错误通常是由于资源管理和编译顺序问题导致的。Unity官方建议通过升级到Shader Graph 10.3或更高版本来解决这些问题。新版本中改进了节点编译流程和资源依赖管理，确保了在各种复杂图形配置下的稳定性和正确性。

对于无法立即升级的项目，临时解决方案包括：避免在复杂子图中使用该节点、确保所有纹理资源在引用前已正确定义、简化图形结构以减少编译复杂度。但长期来看，升级到受支持的版本是最可靠的解决方案。

性能考虑和优化建议

在使用Sample Reflected Cubemap节点时，性能是一个重要的考虑因素。立方体贴图采样相对昂贵，特别是在移动平台上。以下是一些优化建议：

• 合理使用LOD功能，在不需要高精度反射的区域使用较高的LOD值
• 控制立方体贴图的分辨率，平衡质量与性能
• 考虑使用反射探针而不是全局环境贴图，以提供局部化的、更高效的反射
• 对于动态物体，可以使用屏幕空间反射与立方体贴图反射相结合的方法

端口

Sample Reflected 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。深入理解这些端口的作用和相互关系对于有效使用该节点至关重要。

输入端口详解

Cube输入端口

Cube端口用于连接要采样的立方体贴图资源。这个立方体贴图可以来自多个来源：

• 全局环境贴图，通常由场景的天空盒或光照设置定义
• 反射探针捕获的局部环境贴图
• 自定义创建的立方体贴图资源

立方体贴图的质量直接决定了最终反射效果的真实感。高分辨率的立方体贴图能够提供更清晰的反射细节，但也会增加内存占用和采样成本。在实际项目中，通常需要根据目标平台和性能要求选择合适的贴图分辨率。

当Cube端口未连接时，节点会自动使用场景的默认环境贴图。这种行为使得创建与场景环境自动适配的反射材质变得十分便捷。

View Dir输入端口

View Dir端口接收Vector 3类型的视图方向向量。这个向量表示从表面点指向摄像机的方向，在反射计算中用于确定入射光线的方向。

视图方向向量的坐标系空间必须与法线向量保持一致。虽然端口描述中注明绑定为物体空间，但实际上可以使用任何统一的空间：

• 物体空间：向量相对于单个物体的本地坐标系
• 世界空间：向量相对于全局世界坐标系
• 切线空间：向量相对于表面法线、切线和副法线定义的局部坐标系

在实际应用中，世界空间通常是最常用的选择，因为它简化了与场景中其他元素的交互，并确保了动态物体反射的一致性。

Normal输入端口

Normal端口接收Vector 3类型的法线向量。法线定义了表面的朝向，是计算反射方向的关键参数。

法线数据可以来自多个来源：

• 网格自带的顶点法线
• 法线贴图提供的逐像素法线信息
• 通过数学计算或节点网络生成的程序化法线

使用高质量的法线信息对于获得准确的反射效果至关重要。特别是当使用法线贴图时，反射能够精确响应表面的微观细节，大大增强材质的真实感。

Sampler输入端口

Sampler端口允许指定立方体贴图的采样器状态。采样器状态控制着纹理采样的具体方式，包括：

• 过滤模式：控制纹理在放大或缩小时的插值方式
  • 点过滤：最近邻插值，保持锐利边缘但可能产生锯齿
  • 线性过滤：双线性插值，产生更平滑的结果但可能稍微模糊
  • 各向异性过滤：考虑视角方向的过滤，在倾斜表面上保持细节
• 寻址模式：定义当采样坐标超出[0,1]范围时的行为
  • 钳制：将坐标限制在纹理边缘
  • 重复：平铺纹理
  • 镜像：镜像重复纹理

在大多数反射应用中，线性过滤和钳制寻址模式是最常用的组合。线性过滤提供平滑的反射过渡，而钳制模式确保在立方体贴图边缘处不会出现不希望的重复图案。

LOD输入端口

LOD（Level of Detail）端口接收Float类型的值，用于控制采样的细节级别。这个功能使得能够实现多种高级反射效果：

• 基于粗糙度的反射模糊：将表面粗糙度映射到LOD值，粗糙表面产生模糊反射
• 距离模糊：根据观察距离调整LOD，远处物体使用更模糊的反射以节省性能
• 艺术控制的反射效果：手动调整LOD值实现特定的视觉风格

LOD值为0时采样原始的最高质量纹理，随着值增加，采样的是预过滤的mipmap级别。大多数立方体贴图会自动生成mipmap链，但确保纹理导入设置正确启用mipmap生成是很重要的。

输出端口

Out输出端口

Out端口输出Vector 4类型的颜色值，表示在反射方向上从立方体贴图采样得到的颜色。这个颜色值通常包含RGBA四个通道，但在大多数反射应用中，Alpha通道可能不会被使用。

输出颜色的解释和使用方式取决于具体的着色器设计：

• 在金属工作流中，反射颜色通常与反照率颜色基于金属度进行混合
• 在镜面反射工作流中，反射颜色可能直接用作镜面颜色
• 可以通过各种混合模式与基础颜色结合，如加法混合、线性插值等

输出颜色的强度可以通过后续节点进行调整，实现反射强度控制、菲涅尔效应等高级效果。

端口间的相互作用

理解各个端口之间的相互作用对于掌握Sample Reflected Cubemap节点的完整功能至关重要：

• View Dir和Normal端口的向量必须在相同的坐标系空间中，否则会导致不正确的反射方向
• LOD值会影响Cube采样的性能和质量的平衡
• Sampler设置会改变反射的整体外观，特别是在纹理边缘和细节表现上
• 所有输入端口都支持动态输入，允许基于时间、空间或其他条件的实时变化

生成的代码示例

Sample Reflected Cubemap节点在Shader Graph背后生成的实际代码揭示了其工作原理和实现细节。理解这些代码有助于深入掌握节点的功能，并在需要时进行自定义扩展或优化。

基础代码结构

节点生成的核心代码通常遵循以下模式：

HLSL

float4 _SampleCubemap_Out = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(Cubemap, Sampler, reflect(-ViewDir, Normal), LOD);

这行代码包含了几个关键元素：

• SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD：这是HLSL内置的纹理采样函数，专门用于带LOD控制的立方体贴图采样
• Cubemap：要采样的立方体贴图资源
• Sampler：定义采样行为的采样器状态
• reflect(-ViewDir, Normal)：反射矢量的计算
• LOD：细节级别参数

反射矢量计算详解

反射矢量的计算是节点功能的核心。reflect(-ViewDir, Normal)函数调用基于标准的反射公式：

HLSL

float3 reflectVector = reflect(-viewDirection, normal);

在光学中，反射方向的计算公式为：R = I - 2 × (N·I) × N，其中I是入射方向，N是表面法线。HLSL的reflect函数正是实现了这个物理上正确的计算。

需要注意的是，视图方向被取反了（-ViewDir），这是因为在着色器中，视图方向通常定义为从表面指向摄像机，而反射计算需要的是从摄像机指向表面的入射方向。

纹理采样过程

SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD函数执行实际的纹理采样操作。这个函数内部处理了多个复杂的过程：

• 将反射矢量从三维方向转换为立方体贴图的UV坐标
• 根据矢量方向确定在立方体的哪个面上采样
• 应用指定的LOD级别进行mipmap选择
• 按照采样器状态设置的过滤模式进行纹理过滤

对于不支持硬件LOD采样的平台，Shader Graph可能会生成回退代码，使用标准的SAMPLE_TEXTURECUBE函数并结合手动mipmap选择。

完整的生成代码示例

在实际的Shader Graph编译中，Sample Reflected Cubemap节点生成的代码通常会包含在更完整的上下文中：

HLSL

// 纹理和采样器定义
TEXTURECUBE(_Cubemap);
SAMPLER(sampler_Cubemap);

// 节点实现函数
void SampleReflectedCubemap_float(
    TEXTURECUBE_PARAM(Cubemap, sampler_Cubemap),
    float3 ViewDir,
    float3 Normal,
    float LOD,
    out float4 Out)
{
    // 计算反射矢量
    float3 reflectionVector = reflect(-ViewDir, Normal);

    // 采样立方体贴图
    Out = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(Cubemap, sampler_Cubemap, reflectionVector, LOD);
}

自定义扩展和修改

理解生成的代码后，开发者可以在自定义函数节点中创建Sample Reflected Cubemap的变体，实现特殊功能：

菲涅尔效应增强

HLSL

void SampleReflectedCubemapWithFresnel_float(
    TEXTURECUBE_PARAM(Cubemap, sampler_Cubemap),
    float3 ViewDir,
    float3 Normal,
    float LOD,
    float FresnelPower,
    out float4 Out)
{
    float3 reflectionVector = reflect(-ViewDir, Normal);
    float4 reflectionColor = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(Cubemap, sampler_Cubemap, reflectionVector, LOD);

    // 添加菲涅尔效应
    float fresnel = pow(1.0 - saturate(dot(normalize(ViewDir), Normal)), FresnelPower);
    Out = reflectionColor * fresnel;
}

基于粗糙度的自适应LOD

HLSL

void SampleReflectedCubemapAdaptive_float(
    TEXTURECUBE_PARAM(Cubemap, sampler_Cubemap),
    float3 ViewDir,
    float3 Normal,
    float Roughness,
    out float4 Out)
{
    float3 reflectionVector = reflect(-ViewDir, Normal);

    // 根据粗糙度计算自适应LOD
    float adaptiveLOD = Roughness * 6.0; // 假设mipmap链有6级

    Out = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(Cubemap, sampler_Cubemap, reflectionVector, adaptiveLOD);
}

性能优化考虑

生成的代码性能会受到多个因素影响：

• 立方体贴图的分辨率和mipmap链完整性
• 采样器状态的过滤模式
• LOD计算的开销
• 目标平台的纹理采样能力

对于性能敏感的应用，可以考虑以下优化策略：

• 使用较低分辨率的立方体贴图
• 在适当的距离上禁用反射或使用简化的反射计算
• 利用静态烘焙的反射贴图替代实时采样
• 在片段着色器和顶点着色器之间合理分配计算负载

---

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达
（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）