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【Unity Shader Graph 使用與特效實現】專欄-直達

着色器編程語言基礎

Unity URP（Universal Render Pipeline）管線中主要支持三種着色器語言：GLSL（OpenGL Shading Language）、CG（C for Graphics）以及HLSL（High-Level Shading Language）。這些語言均基於C語言的語法結構，並針對GPU並行計算的特點進行了專門優化。

GLSL與HLSL/CG的差異

GLSL是OpenGL標準中使用的着色語言，而HLSL由微軟為DirectX平台設計，CG則是由NVIDIA推出的跨平台着色語言。Unity早期開發中主要使用CG語言，但隨着URP管線的推廣，HLSL逐漸成為更主流的選擇。GLSL與HLSL/CG在以下方面存在差異：

語法細節上有所不同
內置函數的命名與實現方式存在差異
矩陣存儲順序不同：HLSL與CG採用列優先（column-major），而GLSL使用行優先（row-major）

Shader Graph中的語言抽象機制

Shader Graph藉助節點化系統對底層着色語言進行了抽象封裝，開發者無需直接編寫代碼即可構建複雜的着色效果。然而，掌握底層語言知識對於調試着色器以及實現更高級的圖形效果仍然至關重要。

數學基礎

向量運算

着色器編程中廣泛使用向量運算，主要包括：

向量分量訪問：float3 v = (1, 2, 3); float x = v.x;
向量相加：float3 a + float3 b
點積（標量積）：float d = dot(a, b)，常用於計算光照強度等場景

座標系變換

在URP渲染管線中，主要涉及以下四種座標系：

物體空間（Object Space）：模型自身的局部座標系
世界空間（World Space）：整個場景的全局三維座標系
觀察空間（View Space）：以攝像機為原點的座標系
裁剪空間（Clip Space）：頂點在標準化設備座標之前的空間

座標系之間的轉換通過矩陣運算實現，例如使用UnityObjectToWorld函數可將頂點從物體空間變換至世界空間。

着色器類型詳解

頂點着色器

頂點着色器負責處理每個頂點的數據，執行幾何變換與基礎光照計算。其典型結構如下：

struct appdata {
    float4 vertex : POSITION;
    float2 uv : TEXCOORD0;
};

struct v2f {
    float4 pos : SV_POSITION;
    float2 uv : TEXCOORD0;
};

v2f vert(appdata v) {
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = v.uv;
    return o;
}

片元着色器

片元着色器（又稱像素着色器）處理每個像素的顏色輸出，示例結構如下：

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
     fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
     return col;
}

幾何着色器

幾何着色器用於處理圖元（點、線、三角形），並能夠生成新的幾何結構。在URP中使用時需注意：

定義三個結構體：輸入（appdata）、幾何處理階段（v2g）與輸出（g2f）
使用#pragma geometry geom指令聲明幾何着色器
通過[maxvertexcount]屬性限制輸出的最大頂點數量

計算着色器

計算着色器（Compute Shader）適用於通用GPU計算任務，不限於圖形渲染管線。其主要特點包括：

基於線程組（Thread Group）組織並行計算
支持通過RWTexture等類型讀寫紋理數據
適用於大規模並行數據處理場景

Shader Graph的核心優勢

Shader Graph為URP開發提供了以下顯著優勢：

可視化編輯環境：通過節點連接實現着色器邏輯，降低編碼門檻
快速原型迭代：實時預覽着色效果，大幅提升開發效率
跨平台兼容性：自動適配不同圖形API的底層差異
豐富的內置節點庫：提供常用數學運算、紋理操作與效果節點
靈活的材質參數配置：直觀地暴露和調整着色器屬性

性能優化策略

在URP項目中優化着色器性能時，應重點關注以下方面：

減少紋理採樣次數：儘可能合併多次採樣操作
簡化光照計算模型：移動端設備建議使用簡化光照
合理選擇數值精度：在適當場景中使用half類型替代float
避免複雜分支邏輯：GPU執行分支可能導致性能波動
實施細節層次（LOD）：為不同性能的設備提供多級別着色器細節

示例：URP基礎着色器實現

以下是一個符合URP規範的簡單着色器代碼框架：

Shader "URP/ExampleShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }

    SubShader
    {
        Tags 
        { 
            "RenderType" = "Opaque" 
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline" 
        }

        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            TEXTURE2D(_MainTex);
            SAMPLER(sampler_MainTex);
            float4 _Color;

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;
                output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS);
                output.uv = input.uv;
                return output;
            }

            half4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                half4 texColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
                return texColor * _Color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

此示例展示了在URP中如何定義着色器屬性、組織頂點與片元處理邏輯，以及使用URP內置的宏與函數庫實現基礎渲染流程。

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