【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity URP Shader Graph中，Ceiling节点是一个重要的数学运算节点，它执行向上取整操作。这个节点在着色器编程中具有广泛的应用场景，特别是在需要将连续值转换为离散整数值的情况下。Ceiling节点的功能类似于编程语言中的ceil()函数，它能够将输入的浮点数值向上舍入到最接近的整数。

Ceiling节点在Shader Graph中属于数学运算类别，它接受任意维度的矢量输入，并返回相同维度的矢量输出。这意味着它可以处理从单个浮点数到四维矢量的各种数据类型，为着色器开发提供了极大的灵活性。

理解Ceiling节点的工作原理和应用场景对于创建高质量的着色器效果至关重要。无论是创建像素化效果、实现网格对齐，还是进行数值离散化处理，Ceiling节点都能提供精确的数学运算支持。

描述

Ceiling节点的核心功能是执行向上取整运算。具体来说，对于输入的任意浮点数值，Ceiling节点会返回大于或等于该值的最小整数。这个操作在数学上称为"天花板函数"，因为它总是将数值向上取整到最近的整数值。

向上取整操作与向下取整（Floor）和四舍五入（Round）操作有着明显的区别。向下取整总是向负无穷方向取整，而四舍五入则根据小数部分的值决定向上或向下取整。Ceiling节点的行为则始终向上取整，无论小数部分的大小如何。

在Shader Graph中，Ceiling节点能够处理各种数据类型的输入，包括：

• 浮点数（Float）
• 二维矢量（Vector2）
• 三维矢量（Vector3）
• 四维矢量（Vector4）

当输入是多维矢量时，Ceiling节点会对每个分量独立执行向上取整操作。例如，对于输入值(1.2, 2.7, 3.0, 4.9)，Ceiling节点将返回(2.0, 3.0, 3.0, 5.0)。

Ceiling节点在图形渲染中有多种应用场景。在创建像素化效果时，可以使用Ceiling节点将连续的UV坐标转换为离散的网格坐标。在实现材质平铺时，Ceiling节点可以帮助确保纹理正确对齐。在光照计算中，Ceiling节点可以用于创建离散的光照级别，实现卡通风格的渲染效果。

需要注意的是，Ceiling节点的性能开销相对较小，因为它执行的是简单的数学运算。在大多数现代GPU上，向上取整操作都能高效执行，不会对渲染性能造成显著影响。

端口

Ceiling节点的端口设计简洁而高效，遵循了Shader Graph节点设计的一致性原则。节点包含一个输入端口和一个输出端口，两者都支持动态矢量类型，这意味着它们可以自动适应连接的数据类型。

输入端口

输入端口名为"In"，是Ceiling节点接收数据的入口。这个端口具有以下特性：

• 方向：输入
• 类型：动态矢量
• 功能描述：接收需要执行向上取整操作的值

输入端口支持的数据类型包括：

• Float：单精度浮点数
• Vector 2：包含两个浮点数的二维矢量
• Vector 3：包含三个浮点数的三维矢量
• Vector 4：包含四个浮点数的四维矢量

当连接不同维度的数据时，Shader Graph会自动进行类型转换和适配。例如，如果将一个浮点数连接到期望Vector4的端口，系统会自动将浮点数扩展为四个分量相同的Vector4。

输入值的范围没有特定限制，Ceiling节点可以处理任意大小的浮点数值，包括正数、负数和零。对于特殊值如无穷大和NaN（非数字），Ceiling节点的行为遵循IEEE浮点数标准的规定。

输出端口

输出端口名为"Out"，是Ceiling节点返回计算结果的出口。这个端口具有以下特性：

• 方向：输出
• 类型：动态矢量
• 功能描述：输出向上取整后的结果值

输出端口的数据类型始终与输入端口保持一致。如果输入是Vector3类型，输出也会是Vector3类型，其中每个分量都经过了独立的向上取整处理。

输出值的特性包括：

• 所有输出分量都是整数值
• 输出值大于或等于对应的输入值
• 输出值与输入值的差小于1

在实际使用中，输出端口可以连接到其他节点的输入端口，形成复杂的着色器计算流水线。由于输出值是整数，它们特别适合用作纹理数组的索引、循环计数器或条件判断的基准值。

端口连接示例

理解端口之间的连接方式对于有效使用Ceiling节点至关重要。以下是一些常见的连接模式：

• 将UV坐标连接到In端口，然后使用Out端口驱动纹理采样，可以创建像素化效果
• 将世界空间位置连接到In端口，然后使用Out端口计算网格对齐，可以实现体素化渲染
• 将时间变量连接到In端口，然后使用Out端口创建离散的时间间隔，可以实现帧动画效果

端口连接的灵活性使得Ceiling节点能够适应各种复杂的着色器需求，从简单的数学运算到复杂的视觉效果生成。

生成的代码示例

当在Shader Graph中使用Ceiling节点时，Unity会在生成的着色器代码中插入相应的函数调用。理解这些生成的代码对于调试和优化着色器非常重要。

以下是Ceiling节点生成的典型HLSL代码：

HLSL

void Unity_Ceiling_float4(float4 In, out float4 Out)
{
    Out = ceil(In);
}

这个函数接受一个float4类型的输入参数In，计算其向上取整值，并通过输出参数Out返回结果。函数内部调用了HLSL内置的ceil()函数，这是DirectX着色器语言标准的一部分。

代码结构分析

生成的代码遵循了Unity Shader Graph的标准模式：

• 函数名采用Unity_前缀，后跟节点名称和数据类型
• 输入参数使用值传递方式
• 输出参数使用out关键字，表示通过引用返回结果
• 函数体简洁明了，直接调用相应的数学函数

对于不同的输入数据类型，Unity会生成相应的函数变体：

HLSL

// 浮点数版本
void Unity_Ceiling_float(float In, out float Out)
{
    Out = ceil(In);
}

// 二维矢量版本
void Unity_Ceiling_float2(float2 In, out float2 Out)
{
    Out = ceil(In);
}

// 三维矢量版本
void Unity_Ceiling_float3(float3 In, out float3 Out)
{
    Out = ceil(In);
}

性能考虑

从生成的代码可以看出，Ceiling节点的执行效率很高：

• 直接映射到GPU的硬件指令
• 没有复杂的控制流或条件判断
• 支持矢量化操作，能够并行处理多个分量

在大多数现代GPU架构上，ceil()函数通常能在单个时钟周期内完成，这使得Ceiling节点成为着色器中性价比很高的数学运算工具。

自定义实现

虽然Unity会自动生成Ceiling节点的代码，但了解其实现原理有助于在需要时创建自定义版本。以下是一个功能等效的自定义实现：

HLSL

float4 CustomCeiling(float4 value)
{
    return floor(value) + 1.0 - step(frac(value), 0.0);
}

这个实现使用了floor()函数和frac()函数来模拟向上取整的行为，虽然不如内置的ceil()函数高效，但展示了向上取整操作的数学原理。

理解生成的代码还有助于在不同渲染管线之间移植着色器。例如，如果要将使用Ceiling节点的着色器从URP迁移到HDRP，或者适配不同的图形API，了解底层的HLSL代码会大大简化迁移过程。

实际应用案例

Ceiling节点在实际着色器开发中有着广泛的应用。以下是一些具体的应用场景和实现方法，展示了如何充分利用Ceiling节点创建各种视觉效果。

像素化效果实现

像素化效果是Ceiling节点的经典应用场景。通过将连续的UV坐标离散化，可以创建出复古的像素艺术风格：

HLSL

// 创建像素化UV坐标
float2 pixelatedUV = ceil(uv * pixelCount) / pixelCount;

在这种应用中，Ceiling节点确保每个像素区域内的所有点都映射到同一个离散坐标，从而创建出清晰的像素边界。调整pixelCount参数可以控制像素化程度，数值越大，像素越细小。

网格对齐和瓦片处理

在创建瓦片地图或网格基础的效果时，Ceiling节点可以确保物体正确对齐到网格：

HLSL

// 将世界坐标对齐到网格
float3 gridAlignedPosition = ceil(worldPosition * gridSize) / gridSize;

这种方法特别适用于：

• 体素游戏的渲染
• 策略游戏的网格移动
• 建筑可视化中的对齐显示

离散化动画控制

Ceiling节点可以用于创建离散的时间间隔，实现帧动画效果：

HLSL

// 创建离散化的时间索引
float frameIndex = ceil(time * framesPerSecond);

这种技术适用于：

• 精灵动画（Sprite Animation）
• 帧动画序列
• 定时触发的特效

光照和阴影处理

在 stylized 渲染中，Ceiling节点可以用于创建离散的光照级别：

HLSL

// 创建离散化光照值
float discreteLighting = ceil(dot(N, L) * lightLevels) / lightLevels;

这种方法可以创建出卡通风格的光照效果，其中光照过渡是阶梯状的而不是平滑的。

高级数学运算

Ceiling节点还可以与其他数学节点结合，实现更复杂的数学运算：

HLSL

// 计算向上取整的除法
float ceilDivision = ceil(dividend / divisor);

// 创建数值分箱（Binning）
float binnedValue = ceil(value * binCount) / binCount;

这些高级应用展示了Ceiling节点在数值处理和数据分析方面的潜力。

最佳实践和注意事项

为了充分发挥Ceiling节点的潜力，同时避免常见的陷阱，以下是一些最佳实践和注意事项。

性能优化

虽然Ceiling节点本身性能开销很小，但在大规模使用时仍需注意：

• 避免在片段着色器中过度使用复杂的Ceiling操作链
• 考虑将计算转移到顶点着色器或计算着色器中
• 利用矢量化操作，一次性处理多个分量

数值精度考虑

在使用Ceiling节点时，需要注意浮点数精度问题：

• 对于极大或极小的数值，可能会出现精度损失
• 在比较Ceiling结果时，使用适当的容差值
• 注意不同GPU架构可能存在的精度差异

与其他节点的配合

Ceiling节点通常与其他数学节点配合使用：

• 与Floor节点结合，可以创建数值范围限制
• 与Frac节点结合，可以分离数值的整数和小数部分
• 与Round节点结合，可以实现不同的取整策略

调试技巧

当Ceiling节点行为不符合预期时，可以采取以下调试措施：

• 使用Position节点可视化输出结果
• 通过Divide节点缩放输出值，使其在可视范围内
• 使用Custom Function节点插入调试输出

平台兼容性

Ceiling节点在大多数平台上都有良好的兼容性，但仍需注意：

• 确保目标平台支持所需的精度级别
• 在移动平台上测试性能表现
• 验证在不同图形API下的行为一致性

---

【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，🙏）