【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

Inverse Lerp 节点是 Unity URP Shader Graph 中一个功能强大且用途广泛的数学工具节点。该节点的主要功能是返回在输入 A 到输入 B 范围内生成由输入 T 指定的插值的线性参数。从本质上讲，Inverse Lerp 节点执行的是 Lerp 节点的逆运算，能够帮助开发者确定在已知插值结果的情况下，原始的时间参数或混合权重是多少。

在图形着色器编程中，插值操作是极其常见的需求。我们经常需要在两个值、两个颜色或两个纹理之间进行平滑过渡。Lerp 节点能够根据一个权重参数（通常称为 T）在两个输入值之间进行线性插值。而 Inverse Lerp 节点则解决了相反的问题：当我们知道插值的结果，想要找出产生这个结果的权重参数时，就需要使用 Inverse Lerp。

理解 Inverse Lerp 节点的最佳方式是通过一个简单的数值示例。假设我们有两个边界值 A = 0 和 B = 2，当我们使用 T = 0.5 作为权重参数进行 Lerp 操作时，得到的结果是 1。那么 Inverse Lerp 节点解决的问题就是：已知 A = 0，B = 2，插值结果 T = 1，求原始权重是多少？通过计算 (1-0)/(2-0) = 0.5，我们得到了答案 0.5。

Inverse Lerp 节点在着色器开发中有着广泛的应用场景：

• 数值范围的重映射和标准化
• 基于物理属性的材质混合
• 动态效果的参数控制
• 复杂动画和过渡效果的时间管理
• 数据可视化和分析着色器

该节点支持动态矢量类型，这意味着它可以处理浮点数、二维向量、三维向量和四维向量等各种数据类型，为复杂的着色器效果提供了极大的灵活性。

数学原理

基本计算公式

Inverse Lerp 节点的核心数学公式相对简单但功能强大。对于标量（单浮点数）情况，计算公式为：

Out = (T - A) / (B - A)

这个公式表达了几个重要的数学概念：

• 分子 (T - A) 表示目标值 T 相对于起点 A 的偏移量
• 分母 (B - A) 表示整个插值区间的长度
• 结果 Out 表示 T 在 A 到 B 区间内的相对位置，标准化到 [0, 1] 范围内

当处理矢量类型时，Inverse Lerp 节点会对每个分量独立执行相同的计算。例如，对于 float4 类型：

Out.x = (T.x - A.x) / (B.x - A.x)
Out.y = (T.y - A.y) / (B.y - A.y)
Out.z = (T.z - A.z) / (B.z - A.z)
Out.w = (T.w - A.w) / (B.w - A.w)

边界情况处理

在实际应用中，理解 Inverse Lerp 节点在边界条件下的行为至关重要：

• 当 T 等于 A 时，结果为 0
• 当 T 等于 B 时，结果为 1
• 当 T 在 A 和 B 之间时，结果在 0 到 1 之间
• 当 T 超出 [A, B] 范围时，结果可能小于 0 或大于 1
• 当 A 等于 B 时，由于除零问题，结果未定义（在实际应用中通常返回 0 或特殊值）

与 Lerp 节点的关系

Inverse Lerp 与 Lerp 节点构成了一对互补的操作：

Lerp(A, B, t) = A + (B - A) * t
InverseLerp(A, B, T) = (T - A) / (B - A)

这两个节点的关系可以表示为：对于任何有效的 A、B 和 t，都有：

InverseLerp(A, B, Lerp(A, B, t)) = t

同样地，对于任何在 A 和 B 之间的 T，都有：

Lerp(A, B, InverseLerp(A, B, T)) = T

这种数学关系使得这两个节点在着色器设计中可以配合使用，实现复杂的动画和过渡效果。

端口详解

输入端口 A

输入端口 A 代表插值范围的起始点或下限值。这个端口接受动态矢量类型，意味着它可以连接各种数据类型的节点输出，包括但不限于：

• 常量值节点
• 属性节点（如浮点、向量或颜色属性）
• 其他数学节点的输出
• 纹理采样节点的特定通道
• 时间节点的输出

在实际应用中，端口 A 的设置取决于具体的使用场景。例如，在创建基于高度的材质混合效果时，A 可能代表最低高度值；在颜色过渡效果中，A 可能代表起始颜色。

输入端口 B

输入端口 B 代表插值范围的结束点或上限值。与端口 A 一样，B 也接受动态矢量类型，并且通常与 A 保持相同的数据类型以确保计算的一致性。

端口 B 的典型应用包括：

• 定义数值范围的上限
• 指定目标颜色或数值
• 设置效果参数的极限值
• 与其他节点配合创建动态范围

输入端口 T

输入端口 T 代表需要计算其相对位置的目标值。这个值应该位于 A 和 B 定义的范围内，但也可以超出这个范围，此时 Inverse Lerp 的结果会小于 0 或大于 1。

端口 T 的数据来源多种多样，常见的有：

• 顶点位置或 UV 坐标
• 时间或正弦函数输出
• 纹理采样值
• 物理属性如法线方向或深度值
• 自定义计算的结果

输出端口 Out

输出端口 Out 提供 Inverse Lerp 计算的结果，其数据类型与输入端口保持一致。输出值表示 T 在 A 到 B 范围内的相对位置，通常（但不总是）在 0 到 1 之间。

输出值的解读：

• 当 Out = 0 时，表示 T 等于 A
• 当 Out = 1 时，表示 T 等于 B
• 当 0 < Out < 1 时，表示 T 在 A 和 B 之间
• 当 Out < 0 时，表示 T 小于 A
• 当 Out > 1 时，表示 T 大于 B

使用方法和示例

基础数值重映射

最基本的 Inverse Lerp 应用是将一个数值从一个范围映射到标准化范围 [0, 1]。假设我们有一个表示物体高度的值，范围在 10 到 50 单位之间，我们想将其标准化：

• 设置 A = 10
• 设置 B = 50
• 连接高度值到 T
• 输出结果即为标准化后的高度值

这种标准化操作在着色器中非常有用，因为它允许我们使用一致的范围来处理各种不同的输入值。

颜色过渡和混合

Inverse Lerp 节点在颜色处理方面表现出色，特别是在创建平滑的颜色过渡效果时：

// 创建从红色到蓝色的过渡
A = float3(1, 0, 0)  // 红色
B = float3(0, 0, 1)  // 蓝色
T = 当前混合参数

通过将 Inverse Lerp 的输出连接到 Lerp 节点的 T 输入，可以实现基于各种条件（如高度、角度、距离等）的颜色混合效果。

基于高度的雪线效果

一个经典的应用是创建基于高度的雪线效果，其中雪材质在特定高度以上逐渐出现：

• 使用物体世界坐标的 Y 分量作为 T 输入
• 设置 A 为雪开始出现的高度
• 设置 B 为完全被雪覆盖的高度
• 将 Inverse Lerp 的输出用作雪材质的混合权重

这种方法可以创建出非常自然的 altitude-based 材质过渡效果。

动态效果控制

Inverse Lerp 节点可以用于控制各种动态效果的强度或进度：

• 将时间值映射到标准化范围以控制动画进度
• 基于玩家距离控制特效强度
• 根据光照条件调整材质参数

这些应用展示了 Inverse Lerp 节点在创建响应式、动态着色器效果方面的强大能力。

实际应用案例

案例一：地形高度混合

在地形着色器中，我们经常需要根据高度混合不同的材质，比如草地、岩石和雪。使用 Inverse Lerp 节点可以精确控制这些材质之间的过渡：

// 高度范围定义
float grassEndHeight = 10.0;
float rockStartHeight = 8.0;
float rockEndHeight = 25.0;
float snowStartHeight = 22.0;

// 计算各材质的权重
float grassWeight = 1 - InverseLerp(grassEndHeight, rockStartHeight, worldPos.y);
float rockWeight = InverseLerp(rockStartHeight, rockEndHeight, worldPos.y);
float snowWeight = InverseLerp(snowStartHeight, rockEndHeight, worldPos.y);

// 确保权重总和为1
float totalWeight = grassWeight + rockWeight + snowWeight;
grassWeight /= totalWeight;
rockWeight /= totalWeight;
snowWeight /= totalWeight;

这种方法创建了平滑的材质过渡，避免了生硬的边界。

案例二：菲涅耳效果增强

在创建水面或其他反射材质时，Inverse Lerp 可以用于增强菲涅耳效果：

// 计算视角与表面法线的点积
float fresnel = dot(viewDir, normal);

// 使用Inverse Lerp控制菲涅耳效果的强度
float fresnelStrength = InverseLerp(0.1, 0.5, fresnel);

// 应用菲涅耳效果
float3 reflection = texCUBE(_ReflectionCubemap, reflectDir);
float3 color = lerp(baseColor, reflection, fresnelStrength);

这种方法可以创建出更加自然和可控制的反射效果。

案例三：动画曲线控制

Inverse Lerp 节点可以模拟动画曲线的行为，为着色器效果添加更加自然的运动：

// 基于时间的脉冲效果
float pulse = abs(sin(_Time.y * 2.0));

// 使用Inverse Lerp创建缓动效果
float easedPulse = InverseLerp(0.3, 0.7, pulse);

// 应用缓动后的脉冲值
float glowIntensity = easedPulse * _MaxGlow;

这种方法比简单的线性动画更加生动和有趣。

高级技巧和优化

多节点组合使用

Inverse Lerp 节点与其他数学节点组合可以创建更复杂的效果：

• 与 Clamp 节点结合，限制输出范围
• 与 Power 节点结合，创建非线性响应
• 与 Sine 或 Cosine 节点结合，创建周期性效果
• 与 Condition 节点结合，实现条件逻辑

这些组合扩展了 Inverse Lerp 节点的应用范围，使其能够处理更加复杂的着色器需求。

性能优化建议

虽然 Inverse Lerp 节点本身计算开销不大，但在性能敏感的场景中仍需注意：

• 避免在片段着色器中过度使用复杂计算
• 尽可能在顶点着色器中预计算不变的值
• 使用适当的精度（float/half/fixed）
• 考虑使用查找纹理替代实时计算

常见问题解决

在使用 Inverse Lerp 节点时可能会遇到的一些常见问题及解决方案：

• 除零错误：确保 A 和 B 不相等，或添加微小偏移
• 范围溢出：使用 Clamp 节点限制输出范围
• 性能问题：简化计算或使用近似方法
• 视觉瑕疵：调整边界值或使用平滑函数

与其他节点的配合

与 Lerp 节点的配合

Inverse Lerp 与 Lerp 节点的配合使用可以创建复杂的插值系统：

// 创建基于物理属性的材质混合
float blendFactor = InverseLerp(minValue, maxValue, physicalProperty);
float3 finalColor = Lerp(colorA, colorB, blendFactor);

这种模式在需要基于某种度量（如高度、角度、距离）进行混合的场景中非常有用。

与 Remap 节点的关系

虽然 Shader Graph 没有专门的 Remap 节点，但可以使用 Inverse Lerp 和 Lerp 组合实现相同的功能：

// 将值从 [oldMin, oldMax] 重映射到 [newMin, newMax]
float normalized = InverseLerp(oldMin, oldMax, inputValue);
float remapped = Lerp(newMin, newMax, normalized);

这种方法提供了极大的灵活性，可以处理各种范围重映射需求。

在子图中的应用

将 Inverse Lerp 节点封装到自定义子图中可以提高工作流效率：

• 创建专门的范围标准化子图
• 开发特定用途的材质混合子图
• 构建可重用的动画控制子图

这种方法不仅提高了工作效率，还确保了项目中的一致性。

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