探索shadergraph中的数学运算节点

# 1. 引言

在游戏开发中，图形效果是一个非常重要的方面，它可以让游戏更加引人注目和吸引玩家的眼球。为了创建这些引人注目的图形效果，开发者们经常需要进行复杂的数学运算。在过去，实现这些数学运算需要编写复杂的代码和算法，但现在有了一种更简单和直观的方法来实现这些效果，那就是使用ShaderGraph。

## 1.1 ShaderGraph简介

ShaderGraph是Unity引擎中的一个可视化着色器编辑工具，它可以帮助开发者通过将节点连接起来来创建自定义的着色器。通过ShaderGraph，开发者无需深入学习着色器编程语言，就能够轻松地实现各种复杂的图形效果。ShaderGraph提供了一系列的节点，包括数学运算节点，用于快速实现各种数学运算。

## 1.2 本文主题：数学运算节点

本文将着重讨论ShaderGraph中的数学运算节点。数学运算节点在ShaderGraph中发挥着重要作用，它们可以用来执行各种数学运算，如加减乘除、向量运算等，从而实现各种复杂的图形效果。本文将介绍数学运算节点的作用和分类，并通过示例代码展示它们在实际开发中的应用。通过学习数学运算节点的使用，读者将能够更好地理解和掌握ShaderGraph的数学运算功能，从而创造出更丰富的视觉效果。

接下来，我们将详细介绍ShaderGraph的基本概念和工作原理，以便读者能够更好地理解数学运算节点的使用方法。

# 2. ShaderGraph简介

在游戏开发中，ShaderGraph是一种强大的工具，它允许开发者通过可视化的方式来创建和编辑shader，而无需编写传统的代码。ShaderGraph基于节点的系统，开发者可以通过拖拽节点来构建自定义的图形效果，从而更加高效地实现各种视觉效果。

### ShaderGraph的基本概念和工作原理
ShaderGraph由一系列节点组成，每个节点代表一个特定的计算或操作。开发者可以通过连接这些节点来构建出完整的shader效果。ShaderGraph会将这些节点和连接关系转换为真实的shader代码，从而实现所设计的视觉效果。

### ShaderGraph的应用
ShaderGraph可以帮助开发者创建各种自定义的图形效果，包括但不限于贴图混合、光照计算、法线处理、颜色调整等等。通过ShaderGraph，开发者可以更直观地调整和修改shader效果，从而快速迭代和优化游戏的视觉表现。

总的来说，ShaderGraph的出现极大地简化了shader的开发和调试流程，为游戏开发者带来了更多的创作可能性。

# 3. 数学运算节点的作用和分类

在ShaderGraph中，数学运算节点扮演着至关重要的角色，它们可以帮助开发者执行各种数学计算，从而实现各种复杂的图形效果。数学运算节点通常可以分为以下几类：

1. **基本算术运算节点**：包括加法、减法、乘法和除法等节点，用于执行基本的数学运算。
2. **向量运算节点**：用于对向量进行运算，如向量相加、点乘、叉乘等，常用于处理3D空间中的位置和方向信息。
3. **矩阵运算节点**：用于执行矩阵运算，如矩阵乘法、矩阵变换等，在3D图形学中广泛应用于坐标变换和旋转等操作。

4. **三角函数节点**：包括正弦、余弦、正切等三角函数节点，常用于生成波浪、周期性运动等效果。

5. **其他高级数学运算节点**：如指数函数、对数函数、取整运算等，可以用于实现更复杂的数学运算。

这些数学运算节点为开发者提供了丰富的数学计算工具，能够帮助他们在ShaderGraph中实现各种复杂的图形效果。在接下来的章节中，我们将详细介绍这些数学运算节点的具体使用方法，并通过示例展示它们在ShaderGraph中的应用。

# 4. 常用数学运算节点的使用示例

在这一章中，我们将逐个介绍常用的数学运算节点，并使用示例展示它们在ShaderGraph中的具体应用。

### 1. 基本算术运算

#### 1.1 加法节点

加法节点用于将两个输入的值相加，并输出它们的和。在ShaderGraph中，我们可以使用"Add"节点来进行加法运算。

// 加法节点
float a = 2.0;
float b = 1.5;
float result = a + b;

这个加法节点可以在ShaderGraph中的运算节点面板中找到，并连接两个输入参数和一个输出参数。

#### 1.2 乘法节点

乘法节点用于将两个输入的值相乘，并输出它们的积。在ShaderGraph中，我们可以使用"Multiply"节点来进行乘法运算。

// 乘法节点
float a = 2.0;
float b = 1.5;
float result = a * b;

乘法节点可以在ShaderGraph中的运算节点面板中找到，并连接两个输入参数和一个输出参数。

### 2. 向量运算

#### 2.1 叉乘节点

叉乘节点用于计算两个输入向量的叉乘结果。在ShaderGraph中，我们可以使用"Cross"节点来进行叉乘运算。

// 叉乘节点
Vector3 a = new Vector3(1, 0, 0);
Vector3 b = new Vector3(0, 1, 0);
Vector3 result = Vector3.Cross(a, b);

叉乘节点可以在ShaderGraph中的运算节点面板中找到，并连接两个输入参数和一个输出参数。

#### 2.2 点乘节点

点乘节点用于计算两个输入向量的点乘结果。在ShaderGraph中，我们可以使用"Dot"节点来进行点乘运算。

// 点乘节点
Vector3 a = new Vector3(1, 2, 3);
Vector3 b = new Vector3(4, 5, 6);
float result = Vector3.Dot(a, b);

点乘节点可以在ShaderGraph中的运算节点面板中找到，并连接两个输入参数和一个输出参数。

### 3. 矩阵运算

#### 3.1 矩阵乘法节点

矩阵乘法节点用于将两个输入的矩阵相乘，并输出它们的结果矩阵。在ShaderGraph中，我们可以使用"Multiply(Matrix)"节点来进行矩阵乘法运算。

// 矩阵乘法节点
Matrix4x4 a = new Matrix4x4();
Matrix4x4 b = new Matrix4x4();
Matrix4x4 result = a * b;

矩阵乘法节点可以在ShaderGraph中的运算节点面板中找到，并连接两个输入参数和一个输出参数。

#### 3.2 矩阵变换节点

矩阵变换节点用于将输入向量应用矩阵变换，并输出变换后的向量。在ShaderGraph中，我们可以使用"Transform(Matrix)"节点来进行矩阵变换运算。

// 矩阵变换节点
Matrix4x4 matrix = new Matrix4x4();
Vector3 vector = new Vector3(1, 2, 3);
Vector3 result = matrix * vector;

矩阵变换节点可以在ShaderGraph中的运算节点面板中找到，并连接一个输入参数和一个输出参数。

以上是常用数学运算节点的使用示例，在实际的ShaderGraph开发中，我们可以灵活运用这些节点来实现各种图形效果和计算需求。

# 5. 进阶数学运算节点的使用案例

在ShaderGraph中，除了常用的基本数学运算节点外，还有一些更加复杂和高级的数学运算节点，它们可以帮助开发者实现一些炫酷的视觉效果。接下来，我们将介绍一些进阶数学运算节点的使用案例，并展示它们在ShaderGraph中的具体应用。

#### 描边效果

描边效果在游戏和实时渲染中经常被使用，可以使物体轮廓更加清晰和突出。在ShaderGraph中，可以通过使用一些数学运算节点来实现描边效果。

首先，我们需要使用法线节点（Normal Node）来获取物体的法线信息，然后通过一些矢量运算节点（Vector Math Node）计算出法线的偏移量，最后将偏移后的法线和原始法线进行混合，从而得到一种类似描边的效果。

以下是一个简化的描边效果的ShaderGraph示例代码：

Shader "Custom/OutlineShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        sampler2D _MainTex;
        fixed4 _Color;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

上述代码是一个简单的描边效果的ShaderGraph示例，其中使用了法线节点和矢量运算节点来计算描边的效果。

#### 波浪效果

波浪效果也是一种常见的视觉效果，在游戏中经常用于水面或者能量场景的表现。在ShaderGraph中，可以通过一些复杂的数学运算节点来实现波浪效果。

波浪效果的实现主要依赖于时域函数，可以通过计算正弦函数或者余弦函数的波形来模拟波浪的效果。结合时间节点（Time Node）和矢量运算节点，可以实现波浪效果的位移和变化，从而使物体表现出波动的效果。

以下是一个简化的波浪效果的ShaderGraph示例代码：

Shader "Custom/WaveShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _WaveSpeed ("Wave Speed", Float) = 1.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        sampler2D _MainTex;
        float _WaveSpeed;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            float waveOffset = sin(_Time.y * _WaveSpeed);
            float2 offsetUV = IN.uv_MainTex + float2(waveOffset, waveOffset);
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, offsetUV);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

上述代码是一个简单的波浪效果的ShaderGraph示例，其中结合时间节点和矢量运算节点来计算波浪效果的位移和变化。

通过以上示例，我们可以看到，ShaderGraph提供了丰富的数学运算节点，开发者可以利用这些节点来实现复杂的视觉效果，为游戏和应用程序增添更多的视觉魅力。

# 6. 数学节点的自定义与扩展

在ShaderGraph中，虽然已经提供了许多常用的数学节点，但有时候我们可能会需要一些更加特定和定制化的运算操作。幸运的是，ShaderGraph还提供了自定义和扩展数学节点的功能，以满足开发者的需求。

### 6.1 自定义数学节点

要自定义数学节点，我们需要使用Unity的[Custom Function节点](https://docs.unity3d.com/Manual/SL-Shader.html#custom-functions)。这个节点允许我们编写自定义的ShaderLab代码并将其嵌入到ShaderGraph中。

下面是一个简单的例子，展示了如何创建一个自定义的数学节点来计算一个向量的长度：

float VectorLength(float3 vector)
{
    return sqrt(dot(vector, vector));
}

我们将上述代码保存为一个文件，然后将其导入到ShaderGraph中。然后，我们可以在ShaderGraph中使用这个自定义节点，并将其应用于需要计算向量长度的地方。

### 6.2 数学节点的扩展

除了自定义数学节点外，ShaderGraph还支持扩展数学节点的功能。这意味着我们可以创建自己的数学节点，以及与现有的数学节点进行组合和连接，以实现更复杂的运算。

下面是一个示例代码，展示了如何扩展一个加法节点，实现更加灵活的运算：

float3 AddVector(float3 vector1, float3 vector2)
{
    return vector1 + vector2;
}

将上述代码保存为一个文件，并将其导入到ShaderGraph中。然后，我们可以在ShaderGraph中使用这个扩展的加法节点，并与其他节点进行连接，实现自定义的数学运算。

### 6.3 自定义节点的注意事项

在自定义和扩展数学节点时，有一些注意事项需要我们考虑：

- 输入和输出的数据类型：确保自定义节点的输入和输出数据类型与ShaderGraph中其他节点的数据类型兼容。
- 精度和性能：根据实际需求选择合适的精度和优化方式，以确保节点的性能和运行效率。

### 6.4 学习和资源

要进一步学习和探索关于自定义和扩展数学节点的知识，以下是一些有用的资源和工具：

- 官方文档：Unity提供了完整的[ShaderGraph文档](https://docs.unity3d.com/Manual/SL-ShaderGraphOverview.html)，其中包含关于自定义节点的详细信息和示例代码。
- 社区资源：访问Unity的官方论坛或其他开发者社区，寻找和分享关于自定义节点的经验和资源。
- 示例项目：借助Unity的官方示例项目，可以找到各种有关ShaderGraph和自定义节点的实际应用案例。

通过学习和掌握自定义和扩展数学节点的技术，我们可以更好地运用ShaderGraph来创造出更丰富和独特的视觉效果。

本章节详细介绍了如何在ShaderGraph中自定义和扩展数学节点。通过自定义和使用自己的数学节点，我们可以更好地应用ShaderGraph来满足不同场景下的需求，并创造出更加惊艳和独特的图形效果。希望读者通过学习本章节的内容，能够进一步掌握和应用这些技术，并在实际项目中创造出自己的视觉效果。