【Unity Shader Graph 使用與特效實現】專欄-直達
在實時渲染領域，法線貼圖技術是增強模型表面細節的關鍵手段。Unity URP（Universal Render Pipeline）中的ShaderGraph工具集提供了豐富的節點系統，其中NormalFromHeight節點作為核心組件，能夠高效地將一維高度信息轉換為三維法線向量，為程序化材質生成和動態表面效果奠定技術基礎。
節點功能概述
高度轉法線原理
NormalFromHeight節點的核心機制基於表面梯度的數學推導。在計算機圖形學中，表面法線可通過高度場的偏導數計算得出。給定高度函數 ( h(x, y) )，法線向量 ( \mathbf{n} ) 可表示為：
$[ \mathbf{n} = \text{normalize}\left( -\frac{\partial h}{\partial x},\ -\frac{\partial h}{\partial y},\ 1 \right) ]$
該公式的物理意義在於，法線方向垂直於表面坡度方向——即高度變化率最大的方向。節點內部採用有限差分方法近似計算偏導數，確保生成的法線符合物理規律。
雙空間輸出支持
節點支持Tangent（切線空間）和World（世界空間）兩種座標空間輸出模式，以適應不同的渲染需求：
- 切線空間法線：相對於物體表面自身座標系，適用於可變形物體或需要動態更新法線的場景。在物體移動或旋轉時，切線空間法線無需重新計算，具備良好的通用性。
- 世界空間法線：相對於全局世界座標系，適用於靜態物體或需直接參與世界空間光照計算的場景，可簡化光照模型的實現。
強度參數控制
通過Strength參數控制生成法線的凹凸強度，參數單位為真實世界尺度，推薦取值範圍為0至0.1。較小的值產生細微的表面起伏，較大的值則形成明顯的凹凸結構，需根據具體場景尺寸和視覺效果進行精細調節。
端口與參數詳解
輸入端口配置
- In端口：接收Float類型的高度值輸入，通常來源於灰度紋理、程序化噪聲函數或其他計算節點的輸出。
- Strength端口：控制法線凹凸強度的浮點參數，直接影響法線向量的變化幅度。
輸出端口特性
Out端口輸出Vector 3類型的法線向量，三個分量分別對應法線在三維空間中的X、Y、Z方向。具體數值範圍與所選座標空間相關：切線空間下分量通常在[-1,1]之間，世界空間下則直接表示世界座標系中的方向向量。
控件參數解析
Output Space下拉菜單提供Tangent與World兩種空間選項，用户可根據物體類型和渲染需求靈活選擇。
數學原理與算法實現
高度場與法線關係
法線生成的核心數學原理基於高度場梯度計算。高度場可視為二維函數 ( h(x, y) )，法線向量通過計算高度場的梯度獲得，公式如前所述。
偏導數計算
在片段着色器中，偏導數 ( \frac{\partial h}{\partial x} ) 和 ( \frac{\partial h}{\partial y} ) 通過HLSL內置函數ddx和ddy實現。ddx計算當前片段與右側片段的差值，ddy計算當前片段與下方片段的差值，這種有限差分方法為實時圖形提供了高效且足夠精確的梯度近似。
座標空間變換
節點內部涉及複雜的空間變換計算。在切線空間模式下，算法通過TangentMatrix（切線矩陣）將世界空間的位置與法線信息轉換至切線空間，確保法線方向與表面幾何一致。
實際應用場景
程序化地形生成
在程序化地形系統中，NormalFromHeight節點可根據高度圖實時生成精確法線，無需預計算法線貼圖。結合Unity地形工具，可高效創建具有豐富細節的自然景觀。
動態表面效果
該節點適用於模擬動態變化的表面效果，如水面波紋、熔岩流動或沙丘遷移。通過隨時間變化的高度輸入，可生成生動的動態法線，增強場景真實感。
材質細節增強
通過在基礎材質上疊加由高度生成的法線細節，可顯著提升表面質感，特別適用於：
- 為平坦表面添加微觀凹凸結構
- 在低模表面模擬高精度細節
- 實現磨損、腐蝕等老化效果
節點連接與工作流程
輸入源配置
高度輸入源可多樣化配置，常見選項包括：
- 紋理採樣：通過Texture 2D節點讀取灰度高度圖，配合Sampler State與Tiling And Offset節點優化紋理使用。
- 程序化噪聲：使用Simple Noise、Voronoi或Gradient Noise節點生成高度圖案。
- 數學函數：結合Sine、Cosine等周期函數與運算節點，構建複雜高度場。
強度參數優化
Strength參數設置需綜合考慮場景尺度與視覺效果：
- 場景適配：大型場景建議0.01–0.03，中型物體0.03–0.06，小型細節0.06–0.1。
- 效果平衡：細微紋理使用0.01–0.03，明顯凹凸0.04–0.07，強烈變形0.08–0.1。
輸出處理與集成
生成的法線需正確集成至渲染管線：
- 法線混合：使用Normal Blend、Normal Strength等節點混合與調整多法線源。
- 光照集成：將法線輸入至光照模型，確保在正確的座標空間中參與漫反射、高光等計算。
性能優化與最佳實踐
計算精度控制
在性能敏感平台（如移動設備），需平衡計算精度與渲染開銷：
- 降低計算精度或使用近似算法
- 通過LOD系統動態調整計算複雜度
紋理優化
使用紋理作為高度輸入時，優化策略包括：
- 紋理壓縮：採用BC4/BC5格式壓縮高度圖，合理設置mipmap。
- 採樣優化：減少冗餘採樣，利用硬件特性優化梯度計算。
參數調優指南
基於項目經驗，參數調優建議：
- Strength參數：從0.01起步逐步增加，結合光照條件與觀察距離調整。
- 輸入信號處理：對高度值進行Clamp或Smoothstep預處理，改善過渡效果。
高級應用技巧
多層高度混合
通過組合多個高度源，可構建複雜的表面結構：
- 權重混合：使用Lerp或Blend節點按權重混合不同高度層。
- 頻率分離：疊加不同頻率的噪聲層，低頻定義宏觀形態，高頻豐富微觀細節。
動態效果集成
結合時間變量創建動態法線：
- 時間動畫：使用Time節點驅動週期性變化，如Sine波形或循環Fraction動畫。
- 交互響應：根據玩家位置或物理事件調整高度場，實現足跡、碰撞等實時變形效果。
性能監控與調試
在複雜場景中，需監控節點性能：
- 可視化調試：通過自定義着色器顯示中間結果，顏色編碼法線方向。
- 質量評估：在多設備、多分辨率下測試法線質量與性能表現。
常見問題與解決方案
法線失真處理
遇到法線失真（如條紋或斑塊）時，可採取：
- 輸入優化：確保高度值連續平滑，避免劇烈跳變，必要時使用濾波處理。
- 參數調整：降低Strength值，調節高度圖對比度，或提升計算精度。
性能瓶頸分析
識別與解決性能問題：
- 計算負載：評估偏導數計算與向量運算的開銷，優先簡化高成本操作。
- 內存訪問：優化紋理緩存使用，減少採樣次數，或在適用時使用計算着色器替代片段着色器。
兼容性考慮
確保節點在多平台與渲染管線下穩定運行：
- 平台適配：考慮移動端精度限制，適配不同GPU架構。
- 管線集成：在URP中正確配置渲染特性，測試不同質量設置下的表現。
【Unity Shader Graph 使用與特效實現】專欄-直達
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