【游戏开发渲染】Unity ShaderGraph使用教程与各种特效案例：Unity2022（持续更新）

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一、ShaderGraph前言

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嗨，大家好，我是新发。最近在捣腾Unity的ShaderGraph插件，挺好玩的，我决定把我自己实验的所有效果记录到这篇博客中，附带完整高清的连线动态图，希望对想要学习ShaderGraph的同学有所启发。

二、ShaderGraph科普

1、渲染管线（Render Pipline）

渲染管线也称渲染流水线，是显示芯片（GPU）内部处理图形信号相互独立的并行的处理单位。
渲染管线流程包括下面几个步骤：顶点处理、面处理、光栅化、像素处理等。
Unity内置的渲染管线，我们可以使用shader来实现渲染管线中的某些步骤的逻辑。

2、可编程渲染管线，SRP（Scriptable Render Pipline）

Unity2018中引入了可编程渲染管线（Scriptable Render Pipline），简称SRP，是一种在Unity中通过C#脚本配置和执行渲染的方式。

为什么需要SRP?
Unity内置的渲染管道只有Forward和Deferred两种。

Forward Shading
原理：每个作用于物体的像素光单独计算一次，drawCall随着物体与光照数量增加而成倍增加
优点：不受硬件限制
缺点：光照计算开销成倍增加随着光源和物体数量增加。
每个物体接受光照数量有限。

Deferred Shading
原理：物体颜色、法线、材质等信息先渲染到G-Buffer中，光照最后单独渲染，避免每个物体多个光照批次的问题
优点：作用于每个物体光照数量不再受到限制，光照计算不随着物体增加而增加
缺点：移动设备需要支持OpenGL3.0。
不支持MSAA。
半透明物体仍然使用前向渲染。

如上，这两种内置的管道各有优缺点，还有，我们看不到源代码，如果为了表现某种特殊的视觉效果修改起来非常不便。所以就有了SRP的诞生。另外，根据项目的需求写合适的SRP，也可以降低DrawCall，提高运行效率。
SRP引入了CommandBuffer。

CommandBuffer，用于拓展Unity渲染管线。
包含一系列渲染命令，比如设置渲染目标，绘制网格等，并可以设置为在摄像机期间的各个点执行渲染。

下面是CommandBuffer的一个简单的例子：（具体可看官方Github的例子，传送门）

public override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
{ 
   
    base.Render(context, cameras);
    
    var cmd = new CommandBuffer();
    cmd.ClearRenderTarget(true, true, m_ClearColor);
    context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
    cmd.Release();
    context.Submit();
}

自己定制渲染管线对编程要求很高，难度大。

所以Unity提供里2个预制的管线：高清渲染管线（HDRP，全称High Definition Render Pipleline）、通用渲染管线（URP，全称Universal Render Pipleline），

注意，URP的前身就是轻量级渲染管线LWRP（全称Light Weight Render Pipleline）。

3、高清渲染管线，HDRP（High Definition Render Pipleline）

在Unity2018版本，Unity为了提高引擎的画面表现，推出了High Definition Render Pipeline ，高清晰渲染管线，简称HDRP。
HDRP专注于高端图形渲染，针对高端硬件配置，像PC、XBox 和Playstation，其面向高逼真度的游戏、图形demo和建筑渲染、超写实效果，以及所需的最佳图形效果，目前还不支持在手机移动端使用HDRP。
想得到HDRP的完美表现能力，需要大量的贴图，漫反射贴图、高光贴图、金属贴图、平滑贴图、AO贴图、法线贴图、凹凸贴图、高度贴图等等，所以要做HDRP流程需要非常长的时间和庞大的制作团队以及充足的预算。

4、通用渲染管线，URP（Universal Render Pipleline）

在2019.3版本中，Unity将轻量渲染管线LWRP重命名为通用渲染管线URP，通用渲染管线是制作精美图形和显示效果的强力方案，并且同时支持多个平台。轻量渲染管线设计初时具有快捷、可伸缩的优点，可为所有移动端带来高质量的图形效果。URP是Unity未来的默认渲染方式。
Unity官方将致力于改进通用渲染管线，为用户带来VFX Graph、Shader Graph、Custom Render Passes及最新Post-Processing的各种便利，实现等同甚至更好的品质与性能，且只需一次开发，便能在大量的平台上部署。

需要注意的是，通用渲染管线将不会取代或包括高清渲染管线（HDRP）。

5、ShaderGraph

Unity2018推出了一个可编程渲染管线工具ShaderGraph，让开发者们可以通过可视化界面拖拽来实现着色器的创建和编辑。
目前ShaderGraph支持的URP通用渲染管线，也支持HDRP高清渲染管线。
我们通过Unity的PackageManager安装ShaderGraph，还需要安装对应的渲染管线工具包，比如要使用URP通用渲染管线，则需要通过PackageManager安装Universal RP，如果要使用HDRP高清渲染管线，则需要通过PackageManager安装High Definition RP。
安装了渲染管线工具包之后，就可以通过菜单 Assets - Create - Rendering创建对应的渲染管线配置。

接着在Editor - Project Setting - Graphics中的Scriptable Render Pipeline Settings设置渲染管线配置文件。
如果是使用URP，则设置URP的渲染管线配置

如果是使用HDRP，则设置HDRP的渲染管线配置

然后，我们就可以创建对应的ShaderGraph，愉快得进行连连看了。

6、URP和HDRP效果对比

我实验了一下URP和HDRP的效果，感受一下
先看URP的效果

再看HDRP的效果

三、ShaderGraph使用前的环境准备

首先除了安装ShaderGraph本身外，还得安装渲染管线工具，以URP渲染管线（工具包名叫Universal RP）为例。

1、安装Universal RP

点击菜单Window - Package Manager，打开Package Manager窗口。

点击Packages，选择Unity Registry，

然后搜索Universal RP，点击Install按钮，等等安装完毕。

2、创建Pipeline Assets

在Project窗口中右键 - Create - Rendering - Universal Render Pipeline - Pipeline Asset (Forward Renderer)，即可创建一个Pipeline Assets资源：UniversalRenderPipelineAssets。

3、设置Pipeline Assets

点击菜单 Edit - Project Settings，弹出Project Settings窗口，点击Graphics，将上面创建的UniversalRenderPipelineAssets拖到Scriptable Render Pipeline Settings中。

四、ShaderGraph入门：PBR Graph的简单使用

1、创建PBR Graph

在Project窗口中右键-Create-Shader-PBR Graph，即可创建一个PBR Graph脚本。

双击PBRShaderGraph文件，即可打开编辑窗口

2、创建一个颜色变量

点击左上角的属性窗口中的+号可以创建变量，这里我们创建一个Color变量。

如下，出现了一个Color变量，我们可以设置默认颜色，如下设置了红色

3、将Color变量连到Master节点中

将变量拖动到操作区中

将Color节点连到PBR Master节点的Albedo插槽中，即可看到预览窗口中的模型的表面已变成了红色。

4、保存ShaderGraph文件

点击Save Asset即可保存ShaderGraph文件。

5、将ShaderGraph赋值给Material材质球

创建一个Material材质球：PBRTestMaterial，然后直接将ShaderGraph文件拖动到材质球文件上即可。

材质球上，可以看到我们在ShaderGraph中创建的Color变量，通过变量可以调整材质球的颜色。

6、将材质球赋值给3D模型

在Hierachy窗口中右键 - 3D Object - Capsule，创建衣蛾胶囊体模型

将材质球赋值给胶囊体的材质属性中，即可看到胶囊体变成了红色

调整材质球的Color变量，胶囊体的颜色也相应的发生变化。

五、ShaderGraph进阶：实战特效案例

1、模型裁切，主要节点、Position、AlphaClip

原理：AlphaClip的值如果比Alpha的值大，则会不显示

进阶：在裁剪的基础上添加裁剪边缘光
首先利用Smoothstep做出一个边缘渐变

Smoothstep：如果输入In的值分别在输入Edge1和Edge2的值之间，则返回0和1之间的平滑Hermite插值的结果。如果输入In的值小于输入Step1的值，则返回0；如果大于输入Step2的值，则返回1 。

然后将边缘渐变和颜色叠加，连到PBR Master的发光插槽Emission上

2、模型溶解，主要节点：Simple Noise、AlphaClip

原理：AlphaClip的值如果比Alpha的值大，则会不显示

进阶：溶解边缘添加发光，原理就是对Noise噪声做两个Step，然后相减，再乘个颜色，连到Emission发光节点上。

3、边缘光效果，主要节点：Fresnel Effect

原理：Fresnel Effect，菲涅耳效应，根据观察角度产生不同反射率从而对表面效果产生影响，当你靠近时，会反射更多的光。菲涅耳效应节点通过计算表面法线与视线方向的夹角来近似。这个角度越大，返回值越大。这种效果经常被用来实现边缘照明，这在很多艺术风格中都很常见。

进阶：带方向的菲涅尔边缘光效果

4、卡通阴影色块效果，主要节点：Normal Vector、Dot Product、Sample Gradient

原理：使用Sample Gradient设置几个阴影色块颜色

5、表面水纹叠加，主要节点：Tilling And Offset、Lerp

原理：通过Tilling And Offset节点的Offset来控制水纹的UV偏移，然后再使用Lerp将水纹和主贴图做一个线性差值

6、积雪效果，主要节点：Nomal Vector、Dot Product

原理：使用一个向上的 Vector3和模型的 Normal Vertor(法线向量) 点乘，得到的是一个标量，表示模型法线向量和垂直向量的夹角（方向的相似度），然后通过 Step过滤得到要显示白色的部分，将要显示的白色部分再和一个噪声相乘后输入到Master的Emission发光槽中。

7、不锈钢效果、冰晶效果，主要节点：View Direction、Tilling And Offset、Simple Noise

原理：由View Direction视角移动，引发Tilling And Offset 节点移动贴图，产生的效果。注意View Direction使用Tangent切线空间。该效果也可用于冰晶效果。

8、UV抖动效果，主要节点：UV、Simple Noise、Split

原理，使用Split将UV分开成x和y两个分类，对x分类做一个噪音抖动，最后和y再合并作用到主贴图的UV上。

9、水面上下波动效果，主要节点：Gradient Noise、Position

原理：使用Gradient Noise随机噪声，再通过一个 Normal Vector结点，代表垂直于物体的法向量，接着，对Position进行一个叠加。
注意Normal Vector和Position的Space都选择Object空间

10、红旗飘飘效果，主要节点：Simple Noise、UV、Position

原理：通过噪声的UV移动，形成一个动态移动的噪声，作用到Position上，为了让旗的根部所以在通过一个UV的x分量来限制根部的噪音。

11、马赛克效果，主要节点：UV、Posterize

原理：Posterize的作用是色调分离。

通过官方文档，我们可以知道Posterize这个节点的公式为：

void Unity_Posterize_float4(float4 In, float4 Steps, out float4 Out)
{ 
   
    Out = floor(In / (1 / Steps)) * (1 / Steps);
}

根据公式，我们也可以自己实现马赛克效果

12、无贴图水球效果，主要节点：UV、Ellipse、Step

原理：通过UV的y方向构造一个垂直渐变的UV，作为噪声的Step边缘，形成一条波浪，最后差值两个颜色，再用形状做裁切。

13、无贴图火焰效果，主要节点：Voronoi、Tiling And Offset、Blend

原理：通过两个Voronoi的融合，得到类似火焰向上燃烧的形状，再通过UV和一个Vector 2的Distance制造两个圆形区域，分别作为火焰内心和外围的区域，再合火焰形状相乘，最后再乘上颜色。

14、无贴图旋涡效果，主要节点：Twirl、Voronoi

原理：使用Twirl对Voronoi产生一个旋涡形状。

15、无贴图闪电效果，主要节点：Simple Noise、Rectangle

原理：噪声通过Rectangle后，可以形成类似闪电的形状。

一个UV向下移动的噪声和一个UV向上移动的噪声相加，再通过Rectangle，则可以形成动态闪电效果。

16、全息效果，主要节点：Position、Fraction、Time、Fresnel Effect

原理：通过Fraction获取Position的y分量得到一个条纹效果，再通过UV移动得到一个扫描的效果，最后和菲涅尔效果叠加。

17、水波纹效果，主要节点：UV、Sine

原理：通过UV和Sine构造一个圆心向外扩散的效果，再作用到贴图的UV上。

27、卡通水面效果，带边缘泡沫（2022/04/23更新）

工程地址：https://gitcode.net/linxinfa/urpcartoonwater

ShaderGraph连线图如下，图片大家应该看不清，建议打开工程项目的CartoonWater.shadergraph文件查看细节

注意需要开启Depth Texture，

28、冰块效果，一只被冻住的鸡（2022/04/23更新）

工程地址：https://gitcode.net/linxinfa/unityurpiceeffect

ShaderGraph连线图如下，看不清图片建议打开工程项目的IceEffect.shadergraph文件查看细节

29、技能地面贴花效果（2022/05/05更新）

具体实现见我这篇博客：https://blog.csdn.net/linxinfa/article/details/124578453

30、UI过场效果（2022/05/14更新）

工程地址：https://gitcode.net/linxinfa/UnityShaderGraphPanelTransition

注: Unity版本：2021.3.1f1c1，Universal RP版本: 12.1.6

待续

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