高清场景颜色节点（HD Scene Color Node）是Unity高清渲染管线（HDRP）中一个功能强大的着色器图形节点，它扩展了传统场景颜色节点的能力，为开发者提供了更精细的颜色缓冲区访问控制。该节点的核心价值在于能够访问颜色缓冲区的Mipmap级别，这在实现各种高级渲染效果时至关重要。
在实时渲染中，颜色缓冲区存储了场景的最终渲染结果，而Mipmap链则是该缓冲区的一系列逐渐降低分辨率版本。HD Scene Color节点的独特之处在于它允许着色器程序访问这些不同分辨率的颜色数据，为后处理效果、屏幕空间反射、细节层次（LOD）系统等高级图形功能提供了技术基础。
渲染管线兼容性详解
HD Scene Color节点的可用性完全取决于所使用的渲染管线，这是开发者在选择和使用该节点时必须首先考虑的因素。
高清渲染管线（HDRP）支持
- HDRP是Unity针对高端平台和高端硬件设计的高保真渲染解决方案
- HD Scene Color节点专为HDRP设计，充分利用了HDRP的复杂渲染架构
- 在HDRP中，颜色缓冲区通常包含HDR（高动态范围）数据，提供了更丰富的颜色信息和亮度范围
- HDRP的渲染路径允许多个颜色缓冲区并存，HD Scene Color节点可以访问这些缓冲区中的特定数据
通用渲染管线（URP）不支持
- URP是Unity的轻量级、跨平台渲染解决方案，设计目标是性能和效率
- URP不支持HD Scene Color节点，因为它简化了渲染架构，不包含完整的Mipmap颜色缓冲区链
- 在URP中，开发者应使用标准的Scene Color节点来访问场景颜色，但无法访问不同Mip级别的数据
- 这种设计差异反映了URP和HDRP在目标应用场景和功能复杂度上的根本区别
选择正确的渲染管线对于项目成功至关重要。如果项目需要高级颜色缓冲区操作、复杂的后处理效果或面向高端硬件平台，HDRP和HD Scene Color节点是理想选择。而对于移动端、VR或需要广泛平台兼容性的项目，URP可能是更合适的选择，尽管它不支持HD Scene Color节点的所有高级功能。
端口详细说明
HD Scene Color节点的三个端口分别承担着不同的功能，理解每个端口的特性和用法是实现预期视觉效果的关键。
UV输入端口
UV输入端口是节点中最常用的输入之一，它定义了在颜色缓冲区中采样的位置。
数据类型与绑定
- UV端口接受Vector 4类型的输入，提供了足够的维度来支持各种采样坐标系统
- 该端口默认绑定到屏幕位置（Screen Position），这意味着如果不显式连接其他值，节点将使用当前像素的屏幕坐标进行采样
- 屏幕坐标通常是归一化的，范围在[0,1]之间，其中(0,0)表示屏幕左下角，(1,1)表示屏幕右上角
高级使用技巧
- 可以通过连接其他节点来修改UV值，实现平移、旋转、缩放等采样效果
- 使用时间变量动画UV坐标可以创建动态采样效果，如屏幕波动、热浪扭曲等
- 通过偏移UV坐标，可以实现视差效果、伪反射和其他基于屏幕空间的变形
- 在多摄像机设置中，需要注意UV坐标的参考系，确保采样正确的摄像机颜色缓冲区
实际应用示例
假设我们想创建一个简单的屏幕扭曲效果，可以连接一个正弦波节点到UV端口的X和Y分量，使采样位置随时间轻微波动，模拟热量 haze 或水下的折射效果。
Lod输入端口
Lod（Level of Detail）输入端口是HD Scene Color节点区别于普通Scene Color节点的关键特性，它控制着采样时使用的Mipmap级别。
Mipmap基础概念
- Mipmap是原始纹理的一系列缩小版本，每个后续级别的分辨率减半
- 在实时渲染中，Mipmap主要用于减少远处表面的锯齿和提高缓存效率
- HD Scene Color节点允许访问颜色缓冲区的Mipmap链，这意味着可以采样到不同分辨率的场景颜色数据
Lod端口特性
- Lod端口接受Float类型的输入，表示要采样的Mip级别
- 值为0表示最高分辨率的原始颜色缓冲区
- 值每增加1，对应的Mip级别分辨率减半（级别1为1/2分辨率，级别2为1/4分辨率，以此类推）
- 支持小数值，允许在三线性过滤模式下在Mip级别之间平滑插值
Lod值的计算与使用
- 可以直接连接常量值来固定Mip级别
- 可以根据像素到摄像机的距离动态计算Lod值，实现自适应细节级别
- 可以使用屏幕空间导数函数（如ddx/ddy）来计算基于局部几何复杂度的Lod值
- 在后处理效果中，通常使用较高的Lod值（如2-4）来获取模糊的场景颜色，用于泛光、景深等效果
性能考虑
- 采样较高的Mip级别（较低分辨率）通常更快，因为需要处理的数据更少
- 但是，频繁在不同Mip级别之间切换可能导致缓存效率降低
- 在性能敏感的场景中，应平衡视觉效果需求和性能开销
输出端口
输出端口提供从颜色缓冲区指定位置和Mip级别采样得到的颜色值。
输出特性
- 输出为Vector 3类型，对应RGB颜色空间中的红、绿、蓝三个通道
- 颜色值通常位于HDR范围内，可能包含超过[0,1]传统范围的值
- 输出颜色已经过当前摄像机的色调映射和颜色分级处理（除非在特殊渲染通道中）
颜色空间注意事项
- 在HDRP中，颜色数据可能在线性空间或伽马空间，取决于项目设置
- 进行颜色操作时，确保了解当前工作颜色空间，避免不正确的结果
- 当与其他颜色值混合或操作时，可能需要手动进行颜色空间转换
输出数据的后续处理
- 采样得到的颜色可以用于各种计算：亮度提取、颜色操作、与其他纹理混合等
- 在自定义后处理效果中，HD Scene Color节点的输出通常作为主要输入之一
- 可以通过连接其他着色器图形节点对输出颜色进行进一步处理：应用颜色曲线、调整饱和度、实施颜色替换等
曝光控制深入解析
曝光控制是HD Scene Color节点中一个微妙但重要的特性，正确理解和使用它对实现预期的视觉效果至关重要。
曝光属性基础
曝光属性决定了节点输出颜色时是否应用了场景的曝光设置。
启用曝光
- 当Exposure属性启用时，输出颜色会乘以当前摄像机的曝光值
- 这适用于大多数标准渲染情况，确保颜色与场景中的其他元素一致
- 在自动曝光（自适应曝光）情况下，输出颜色会随曝光调整而动态变化
禁用曝光
- 当Exposure属性禁用时，输出颜色不会应用曝光调整
- 这可以防止在已经应用了曝光的颜色上重复应用曝光，避免过度明亮或黑暗的结果
- 在后处理效果中，通常需要禁用曝光，因为后处理栈通常有自己独立的曝光控制
曝光与HDR渲染
在高动态范围渲染中，曝光控制尤为重要。
HDR颜色值
- 在HDRP中，颜色缓冲区通常存储超过传统[0,1]范围的值
- 这些值表示场景中真实的物理光照水平，可能从极暗到极亮
- 色调映射过程将这些HDR值转换为显示设备能够处理的LDR（低动态范围）值
曝光在色调映射中的作用
- 曝光是色调映射过程中的关键参数，控制着HDR到LDR的转换
- 适当的曝光设置确保场景中的重要细节在最终图像中可见
- HD Scene Color节点的曝光设置决定了采样颜色是否已经过这个转换过程
避免双重曝光问题
双重曝光是使用HD Scene Color节点时常见的错误，会导致颜色计算不正确。
双重曝光的成因
- 当颜色缓冲区中的数据已经应用了曝光，而节点再次应用曝光时发生
- 这会导致颜色值被两次乘以曝光值，产生过度明亮或饱和的结果
- 在后处理效果中特别常见，因为后处理通常在全屏通道中执行，已经包含了曝光信息
识别双重曝光
- 渲染结果异常明亮或黑暗，与场景照明不符
- 颜色饱和度异常高，特别是在明亮区域
- 当调整摄像机曝光时，效果强度变化异常剧烈
解决方案
- 在大多数后处理场景中，应禁用HD Scene Color节点的Exposure属性
- 如果需要在着色器中手动应用曝光，可以使用Exposure节点和当前曝光值
- 测试时，尝试切换Exposure属性，观察结果变化，确定正确的设置
采样器模式详解
HD Scene Color节点使用的三线性钳位模式采样器对采样质量和性能有重要影响。
三线性过滤原理
三线性过滤是一种高级纹理过滤技术，结合了双线性过滤和Mipmap插值。
双线性过滤
- 在单个Mip级别内，对四个最近的纹素进行加权平均
- 减少了近距离观察纹理时的块状像素化现象
- 但不能解决远处表面的闪烁和锯齿问题
Mipmap插值
- 在两个最近的Mip级别之间进行插值
- 根据像素在屏幕上的大小自动选择合适的细节级别
- 解决了远处表面的闪烁和莫尔图案问题
三线性过滤
- 结合了双线性过滤和Mipmap插值
- 首先在两个Mip级别上分别执行双线性过滤
- 然后在两个过滤结果之间进行线性插值
- 提供了平滑的细节过渡，消除了Mip级别之间的突然变化
钳位模式特性
钳位模式定义了当采样坐标超出标准[0,1]范围时的采样行为。
标准钳位行为
- 当UV坐标小于0时，使用边界处的颜色值（UV为0时的颜色）
- 当UV坐标大于1时，使用边界处的颜色值（UV为1时的颜色）
- 这防止了采样器在纹理边界外采样，避免了意外行为
与其他模式的比较
- 重复（Wrap）模式会在超出边界时重复纹理
- 镜像（Mirror）模式会镜像纹理
- 边框（Border）模式会使用指定的边框颜色
- 对于屏幕空间采样，钳位模式通常是最合适的选择，因为它符合屏幕边界的物理特性
性能影响与优化
三线性钳位采样虽然质量高，但也有性能成本。
性能考虑
- 三线性过滤需要访问8个纹素（两个Mip级别各4个），而双线性只需4个
- 这增加了内存带宽需求和纹理缓存压力
- 在性能敏感的场景中，可能需要权衡质量与性能
优化策略
- 对于不需要高质量过滤的效果，可以考虑使用双线性采样
- 通过适当设置Lod值，可以减少不必要的Mip级别插值
- 在移动平台或低端硬件上，可以考虑减少三线性过滤的使用范围
实际应用案例
HD Scene Color节点在实践中有多种应用，以下是一些常见的使用场景。
屏幕空间反射
屏幕空间反射（SSR）是HD Scene Color节点的经典应用之一。
基本原理
- 通过射线行进在屏幕空间中查找反射表面
- 使用HD Scene Color节点采样反射方向上的场景颜色
- 通过适当的Lod设置减少反射中的噪点和闪烁
实现步骤
- 计算当前像素的反射向量
- 在反射方向上进行射线行进，检测与场景几何的碰撞
- 使用碰撞点的屏幕坐标作为UV输入HD Scene Color节点
- 根据射线行进距离和表面粗糙度设置适当的Lod值
- 将采样得到的反射颜色与表面颜色混合
优化技巧
- 使用分层射线行进提高性能
- 根据表面粗糙度动态调整Lod值——粗糙表面使用较高Lod
- 实施回退机制，当屏幕空间反射失败时使用其他反射技术
自定义后处理效果
HD Scene Color节点是创建自定义后处理效果的强大工具。
颜色分级效果
- 采样场景颜色并进行非线性颜色变换
- 实现自定义的色调映射曲线、颜色分级表（LUT）
- 创建风格化的视觉效果，如复古、电影感或科幻风格
空间效果
- 使用扭曲的UV坐标采样场景颜色，创建热浪、水下折射等效果
- 通过时间变化的UV偏移实现屏幕波动效果
- 结合深度缓冲区实现基于距离的颜色效果
多Pass效果
- 在第一Pass中采样场景颜色并存储到自定义缓冲区
- 在后续Pass中结合HD Scene Color节点采样进行复杂混合
- 实现如运动模糊、景深、泛光等多阶段后处理效果
高级混合模式
HD Scene Color节点可以实现超越标准混合模式的复杂合成效果。
基于深度的混合
- 结合深度缓冲区信息，实现仅在特定深度范围内生效的混合
- 创建如雾气、水下水花等基于距离的效果
基于亮度的混合
- 提取采样颜色的亮度，用于控制混合因子
- 实现如泛光、镜头光晕等高光相关效果
自定义屏幕空间遮罩
- 使用HD Scene Color节点采样特定颜色通道作为遮罩
- 实现仅在屏幕特定区域生效的效果
- 创建如体积光、上帝光线等局部后处理效果
性能优化与最佳实践
正确使用HD Scene Color节点对保持应用性能至关重要。
采样成本分析
了解HD Scene Color节点的性能特征有助于做出明智的优化决策。
影响因素
- 采样位置（UV）的连贯性影响缓存效率
- Lod值影响访问的Mip级别和内存带宽
- 屏幕分辨率直接影响采样操作的绝对数量
性能监控
- 使用Unity的Frame Debugger或Render Doc分析具体采样操作
- 监控GPU时间和内存带宽使用情况
- 在不同硬件平台上测试性能表现
优化策略
多种策略可以帮助优化使用HD Scene Color节点的着色器性能。
减少采样次数
- 尽可能重用采样结果，避免重复采样相同位置
- 使用双线性过滤的优势，通过单次采样获取平滑结果
- 在可行的情况下，降低采样频率并使用插值
智能Lod选择
- 根据视觉效果需求选择最低可接受的Lod级别
- 对远处或次要效果使用较高Lod级别
- 动态调整Lod级别，平衡质量与性能
平台特定优化
- 在移动平台上，考虑使用更简单的采样策略
- 利用特定硬件的纹理采样特性
- 为不同性能级别的设备提供多个质量设置
故障排除与常见问题
使用HD Scene Color节点时可能遇到各种问题，了解如何识别和解决这些问题很重要。
采样结果不正确
当HD Scene Color节点返回意外结果时，可能的原因和解决方案。
UV坐标问题
- 确认UV坐标在预期的[0,1]范围内
- 检查UV坐标是否应用了正确的变换
- 验证屏幕位置是否正确转换为纹理坐标
Lod设置问题
- 确认Lod值在合理范围内，不会导致采样过低分辨率的Mip级别
- 检查Lod计算逻辑是否正确，特别是基于距离或导数的计算
- 验证三线性插值是否按预期工作
曝光相关问题
- 检查Exposure属性设置是否符合当前渲染上下文
- 验证是否存在双重曝光问题
- 确认颜色空间转换是否正确处理
性能问题
当使用HD Scene Color节点导致性能下降时，可能的优化方向。
识别瓶颈
- 使用性能分析工具确定是ALU瓶颈还是内存带宽瓶颈
- 检查是否有不必要的重复采样操作
- 评估采样频率是否高于视觉效果所需
优化方案
- 减少全屏采样操作的数量和频率
- 使用较低分辨率的Mip级别，特别是在后处理效果中
- 考虑使用近似方法替代精确采样
平台兼容性问题
在不同平台或渲染设置下，HD Scene Color节点可能表现出不同行为。
渲染管线差异
- 确认项目使用的是HDRP，因为HD Scene Color节点在URP中不可用
- 检查HDRP版本和配置，确保所有必需功能已启用
- 验证颜色缓冲区和Mipmap链的可用性
平台特定行为
- 在不同图形API（DirectX、Vulkan、Metal）下测试着色器
- 检查移动平台上的功能支持级别
- 验证着色器变体是否为目标平台正确编译
【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，🙏）
