Unity Shader 系列（二十一）：粒子系统与 Shader 深度整合

Unity 的粒子特效系统与 Shader 的深度结合，是游戏中火焰、魔法、爆炸、雨雪等视觉效果的核心技术基础。本文从 Shuriken 粒子系统到 VFX Graph，从自定义粒子 Shader 到软粒子深度排序，全面讲解 URP 环境下的粒子渲染技术。

Particle System（Shuriken）vs VFX Graph：如何选择

Unity 提供两套粒子系统，选择取决于项目规模和复杂度：

特性	Particle System（Shuriken）	VFX Graph
粒子上限	数万级	百万级（GPU 驱动）
运行环境	CPU 模拟	GPU Compute Shader
最低平台	所有平台	需要 Compute Shader 支持
可视化编辑	Inspector 面板	节点图编辑器
自定义逻辑	受限，需要 C# 脚本配合	完全可视化节点编程
Shader 集成	Custom Vertex Stream	Output 节点直连

选择建议：移动端、粒子数量 < 10 万、需要兼容低端设备 → 用 Shuriken；PC/主机端、特效密集场景、需要百万粒子 → 用 VFX Graph。

自定义粒子 Shader：核心宏与结构

Unity 粒子系统对 Shader 有特殊要求，最关键的是支持 GPU Instancing。

Shader "Custom/URP/ParticleFire"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("粒子纹理", 2D) = "white" {}
        _FlowTex ("UV流动纹理", 2D) = "white" {}
        _FlowSpeed ("流动速度", Float) = 1.0
        _FlowStrength ("流动强度", Float) = 0.1
        _EmissionColor ("发光颜色", Color) = (1, 0.5, 0.1, 1)
        _EmissionIntensity ("发光强度", Float) = 2.0
        _SoftParticleFade ("软粒子淡化距离", Float) = 1.0
    }

    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderType" = "Transparent"
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
            "Queue" = "Transparent"
        }

        Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
        ZWrite Off
        Cull Off

        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            // 启用 GPU Instancing（粒子系统必须）
            #pragma multi_compile_instancing
            #pragma instancing_options procedural:vertInstancingSetup

            // 启用软粒子关键字
            #pragma multi_compile _ SOFTPARTICLES_ON

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/DeclareDepthTexture.hlsl"

            // 粒子 Instancing 头文件（必须在 Core.hlsl 之后）
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Particles.hlsl"

            TEXTURE2D(_MainTex);
            SAMPLER(sampler_MainTex);
            TEXTURE2D(_FlowTex);
            SAMPLER(sampler_FlowTex);

            CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
                float4 _MainTex_ST;
                float4 _FlowTex_ST;
                float _FlowSpeed;
                float _FlowStrength;
                float4 _EmissionColor;
                float _EmissionIntensity;
                float _SoftParticleFade;
            CBUFFER_END

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS   : POSITION;
                float2 uv           : TEXCOORD0;
                float4 color        : COLOR;        // 粒子颜色（包含生命周期渐变）
                UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS   : SV_POSITION;
                float2 uv           : TEXCOORD0;
                float4 color        : COLOR;
                float4 projectedPos : TEXCOORD1;    // 软粒子深度比较用
                UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
            };

            Varyings vert(Attributes IN)
            {
                Varyings OUT;
                UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(IN);
                UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(OUT);

                // 粒子 Instancing 设置（GPU Instancing 必须调用）
                #ifdef UNITY_PARTICLE_INSTANCING_ENABLED
                    vertInstancingSetup();
                #endif

                OUT.positionCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
                OUT.uv = TRANSFORM_TEX(IN.uv, _MainTex);
                OUT.color = IN.color;

                // 软粒子：记录裁剪空间位置用于深度比较
                OUT.projectedPos = ComputeScreenPos(OUT.positionCS);

                return OUT;
            }

            half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
            {
                // UV 流动动画（模拟火焰翻滚）
                float2 flowUV = IN.uv * _FlowTex_ST.xy + _FlowTex_ST.zw;
                float2 flowOffset = SAMPLE_TEXTURE2D(_FlowTex, sampler_FlowTex, flowUV + _Time.y * _FlowSpeed * 0.1).rg;
                flowOffset = (flowOffset * 2.0 - 1.0) * _FlowStrength;

                // 采样主纹理（应用流动偏移）
                float2 animatedUV = IN.uv + flowOffset;
                half4 texColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, animatedUV);

                // 与粒子颜色混合（粒子系统的 Color over Lifetime 通过 IN.color 传入）
                half4 finalColor = texColor * IN.color;

                // 发光叠加
                finalColor.rgb += _EmissionColor.rgb * _EmissionIntensity * finalColor.a;

                // 软粒子：与场景深度比较，避免硬切割
                #ifdef SOFTPARTICLES_ON
                    float sceneDepth = LinearEyeDepth(
                        SampleSceneDepth(IN.projectedPos.xy / IN.projectedPos.w),
                        _ZBufferParams
                    );
                    float partDepth = IN.projectedPos.w; // 粒子本身的线性深度
                    float fade = saturate((sceneDepth - partDepth) / _SoftParticleFade);
                    finalColor.a *= fade;
                #endif

                return finalColor;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

Custom Data：粒子系统向 Shader 传递自定义参数

Shuriken 提供 Custom Data 模块，可向 Shader 传递额外的每粒子数据（如随机种子、UV 偏移、特殊状态）。

配置步骤：

1. 在粒子系统 Inspector 中开启 Custom Data 模块
2. 设置 Custom1/Custom2 的 Vector 或 Color 模式
3. 在 Renderer 模块 → Custom Vertex Streams 中添加 Custom1.xyzw
4. 在 Shader 中通过 TEXCOORD 接收

// 在 Attributes 结构体中接收 Custom Data
struct Attributes
{
    float4 positionOS   : POSITION;
    float2 uv           : TEXCOORD0;
    float4 color        : COLOR;
    float4 custom1      : TEXCOORD1;  // Custom Data 1（例：xy=随机偏移, z=随机旋转, w=生命周期）
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

// 在片元着色器中使用
half frag(Varyings IN) : SV_Target
{
    // 使用 custom1.z 作为 UV 旋转角度
    float angle = IN.custom1.z * 6.28318;
    float2 rotUV = float2(
        cos(angle) * (IN.uv.x - 0.5) - sin(angle) * (IN.uv.y - 0.5) + 0.5,
        sin(angle) * (IN.uv.x - 0.5) + cos(angle) * (IN.uv.y - 0.5) + 0.5
    );
    // ...
}

软粒子（Soft Particles）：正确的深度排序

粒子与几何体相交时会产生硬切割边缘，这是粒子特效最常见的视觉问题。URP 软粒子通过对比粒子深度与场景深度缓冲来淡化交叉处。

启用步骤：

1. URP Asset → Depth Texture 开启（生成 _CameraDepthTexture）
2. 粒子材质 Shader 中添加 #pragma multi_compile _ SOFTPARTICLES_ON
3. 在材质 Inspector 中开启 Soft Particles，设置淡化距离

踩坑提醒：URP 的深度纹理在某些平台（特别是移动端 OpenGL ES）可能精度不足，导致 Z-fighting。建议将 _SoftParticleFade 设置得稍大（0.5~2.0）。

VFX Graph：百万粒子星系实现

VFX Graph 完全在 GPU 上运行，适合百万级粒子效果。以下是星系粒子的核心节点配置思路：

星系轨道方程（Custom HLSL Block）：

// VFX Graph Custom HLSL Block
// 输入：粒子 ID、时间
// 输出：位置、颜色

void GalaxyOrbit(in uint particleID, in float time,
                 out float3 position, out float3 color)
{
    // 将粒子 ID 映射到 [0,1] 参数
    float t = (float)particleID / 1000000.0;

    // 对数螺旋线（银河悬臂形态）
    float armAngle = t * 4.0 * 3.14159; // 螺旋角度
    float armOffset = frac(particleID * 0.61803) * 0.3; // 黄金比例分布
    float radius = pow(t, 0.5) * 10.0 + armOffset;

    // 加入时间让星系缓慢旋转（外圈慢，内圈快）
    float rotSpeed = 0.1 / max(radius, 0.1);
    float angle = armAngle + time * rotSpeed;

    position = float3(
        cos(angle) * radius,
        (frac(particleID * 0.37) - 0.5) * 0.5 * (1.0 - t), // 盘面厚度
        sin(angle) * radius
    );

    // 颜色：中心偏黄白，边缘偏蓝
    color = lerp(float3(1.0, 0.9, 0.7), float3(0.5, 0.7, 1.0), t);
}

手写 Shader 对比 VFX Graph：

方面	手写粒子 Shader	VFX Graph
粒子物理模拟	C# 脚本驱动	GPU Compute
渲染灵活性	完全可控 HLSL	受 Output 节点限制
调试便利性	困难	可视化节点，易调试
粒子间交互	需要额外 Buffer	内置碰撞/力场节点
移动端兼容	全兼容	需要 CS3.5+ GPU

粒子与场景深度排序：Transparent Pass 的正确姿势

透明粒子的排序是 URP 开发中的常见问题。Unity 的透明物体按距相机距离从后向前排序，但粒子之间的互相遮挡（如烟雾卷积）很难精确排序。

正确做法：

// Shader Tags 配置
SubShader
{
    Tags
    {
        "Queue" = "Transparent"
        // 强制在所有不透明物体之后渲染
        // 注意：粒子之间仍然可能排序错误
    }

    // 关闭深度写入，开启深度测试
    ZWrite Off
    ZTest LEqual

    // 加法混合适合发光粒子（火焰、魔法）
    Blend One One

    // 透明混合适合烟雾（不是加法）
    // Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
}

进阶技巧：对于需要精确排序的烟雾效果，考虑使用 Order in Layer 和 Sorting Layer 组合，或者使用 URP 的 OIT（Order-Independent Transparency）Renderer Feature（Unity 2023+）。

ShaderGraph 实现思路

在 ShaderGraph 中实现相同的火焰粒子效果：

1. Graph Settings：Surface = Transparent，Blend Mode = Additive
2. 粒子颜色输入：添加 Particle Color 节点（自动接收粒子系统颜色）
3. UV 流动：Time → 乘以速度 → 加到 UV → Sample Texture 2D（Flow Map）
4. 流动偏移：Flow Map 输出 × 强度 → 加到主 UV
5. 软粒子：添加 Scene Depth 节点 → 减去 Screen Position.w → 除以淡化距离 → Saturate → 连接到 Alpha

性能考量

移动端粒子优化清单：

• 同屏粒子数量控制在 500 以内（低端设备）
• 使用 Additive 混合优于 Alpha Blend（Additive 无需排序）
• 粒子纹理使用 ETC2/ASTC 压缩，分辨率不超过 256×256
• 避免大面积半透明粒子重叠（Overdraw 是移动端最大杀手）
• 关闭不必要的软粒子（深度纹理采样有额外开销）

PC/主机端：

• VFX Graph + GPU Instancing 可处理百万粒子
• 启用 UNITY_PARTICLE_INSTANCING_ENABLED 确保 Instancing 正常工作
• 使用 LOD Group 在远距离替换为 Billboard 粒子

实际游戏应用场景

效果	技术方案	关键参数
营火火焰	Shuriken + 流动 UV Shader	Flow Map + Additive 混合
魔法光球	VFX Graph + 自发光 Shader	Emission + Bloom 后处理
子弹轨迹	Line Renderer + Trail Shader	UV 拉伸 + 速度淡化
雨雪	Shuriken 碰撞 + 软粒子	软粒子淡化 + 法线贴图溅射
爆炸冲击波	Shuriken + SDF 圆环 Shader	程序化圆环 SDF + 扭曲后处理

粒子系统与 Shader 的深度整合是 Unity 特效制作的核心技能——理解 Instancing、Custom Data、软粒子的工作原理，才能在保证性能的同时创作出令人惊艳的游戏特效。