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UnityのShader Graphの仕組みは、視覚的なノードベースのインターフェースを使ってシェーダを設計できるツールです。以下にその仕組みや背後での動作を詳しく説明します。

1. Shader Graphの基本構造​

Shader Graphでは、シェーダの挙動をノードで定義し、それをグラフとして結びつけていきます。これにより、複雑な数式やコードを書くことなくシェーダを作成できます。

  • ノード (Node): 各ノードは特定の機能（例: 加算、乗算、テクスチャサンプルなど）を持つミニプログラムです。
  • ポート (Port): ノードには入力ポートと出力ポートがあり、それぞれを接続してデータを渡します。
  • グラフ (Graph): これらのノードを接続してグラフを構成します。

2. Shader Graphで保存されるデータ​

Shader Graphファイルは通常、.shadergraphという形式で保存されます。このファイルの中身は、JSON形式で記述されており、以下の内容が含まれます：

  • ノード情報: 各ノードの種類、位置、プロパティ（例: 定数値やテクスチャの参照など）。
  • 接続情報: ノード間の接続状態。
  • 入力/出力設定: マテリアルプロパティ（例: カラー、テクスチャ）や出力ターゲット（例: ピクセルシェーダの出力）。

3. Shader Graphからシェーダコードへの生成プロセス​

Unityでは、Shader Graphで作成したグラフをもとに内部的にHLSL（High-Level Shader Language）のコードを生成します。その仕組みは以下のように動作します：

  1. ノードの翻訳:

    • 各ノードは事前に定義されたHLSLスニペットに対応しています。
    • 例: 加算ノード → result = input1 + input2;

  2. ノードの接続処理:

    • ノード間の接続情報を解析し、計算の順序を決定します（依存関係に基づく）。

  3. コードの統合:

    • 全てのノードを連結し、頂点シェーダやピクセルシェーダのコードを構築します。
    • 結果として、Unity標準のシェーダ形式に基づいた.shaderファイルが生成されます。

  4. プラットフォームごとの最適化:

    • Unityはビルド時にプラットフォーム（例: DirectX、Vulkan、Metal）に応じてHLSLコードを適切な形式に変換します（SPIR-VやGLSLなど）。

4. 生成されるシェーダコードの例​

Shader Graphから生成されるシェーダコードは非常に冗長で、以下のような形式です：

Shader "Shader Graph Example"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            // 頂点シェーダ
            void vert(...) { ... }

            // ピクセルシェーダ
            void frag(...) {
                float4 color = _Color;
                float4 texColor = tex2D(_MainTex, uv);
                return color * texColor;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

5. 内部的な仕組み（ノードからコードへの変換）​

UnityのShader Graphは、**ノードごとの「コードテンプレート」**を持っています。

  • ノードデータベース:

    • 各ノードは、特定のHLSLコードテンプレートにマッピングされています。
    • 例: AddNode → return A + B;

  • グラフ解析エンジン:

    • ノード間の接続を解析して、計算の順序を最適化します（グラフのトポロジカルソート）。
    • 入力ポート → 出力ポートの順にコードを生成。

  • テンプレート統合:

    • 個々のノードのテンプレートコードを統合し、シェーダの構造（頂点シェーダ、ピクセルシェーダなど）に埋め込みます。

6. 利点と制約​

利点:​

  • 視覚的デザイン: コーディング不要でシェーダを作成可能。
  • 動的な再計算: ノードの接続を変えるだけで簡単にシェーダを更新可能。
  • クロスプラットフォーム: プラットフォームごとの最適化が自動的に行われる。

制約:​

  • 冗長なコード: 自動生成されたコードは非効率な場合があり、手書きのシェーダほど最適化されていない。
  • 複雑なシェーダ: 極端に複雑なシェーダには向かない（パフォーマンスや管理の問題）。

7. さらに掘り下げたい場合​

もし詳細なコード生成プロセスを追いたい場合、Unityのシェーダ生成後の.shaderファイルをエディタで開いて解析するか、Shader Graphの内部構造をUnityのドキュメントやコミュニティで調べると良いでしょう。