图形学基础知识

除了自发光物体，成像皆由视网膜接收物体各尺度平面反射的光线构成
光照效果一般可分为漫反射和镜面反射（高光）两部分
- 漫反射：凹凸不平的表面反射的没有方向性的光
- 镜面反射：若反射面比较光滑，当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来
光源照射物体时，将会与物体产生多种交互现象，反馈大致为：

光源到达物体表面时、物体原子会将光子部分吸收partially absorbed，能量守恒转化为热能，反射的部分较弱；且根据折射率具有不同角度微平面散射scattered，

穿透的部分将会产生折射Refraction、次表面散射Subsurface Scattering、半透明透射Transmission，

经过散射、微平面镜面反射的部分，称为 漫反射Diffuse，

被相对镜面反射，称为 镜面反射Specular

材质和材质实例概念

材质实例由材质继承而来，对父材质外观的参数化
游戏里只有父体材质会被编译，材质实例可降低渲染开销，在场景中高速渲染和实时反馈
材质资产为绿色，实例深绿色
材质中右键节点转换参数后创建实例，实例中产生配置参数，勾选后可设置
层级可以查看继承层级关系，可以直接定位到材质查看图表和细节面板，实例只有参数可配

动态材质实例概念

参数化的材质 + 蓝图 = 动态材质实例
作用：在游戏运行中动态改变材质，如角色走进某个范围后某个物体切换随机颜色，或自发光等效果
蓝图继承自Actor，构造脚本中create dynamic material，并保存动态材质的变量引用
事件图表
- set vector parameter value：按材质的参数名设置值

材质细节面板关键参数

物理材质
- 关联的物理材质，如碰撞产生的弹力将保留多少能力，不影响外观
- 应用：不同材质类型，不同反馈的实现
  - 如：角色踩在不同材质上发出不同音效（射线检测 + 物理材质）
  - 又如：子弹击中不同材质产生不同特效和音效（hitEvent + 物理材质）
材质域
- 材质的作用类型：会影响节点基础参数
- 表面材质域时，可设置用途Usage, 标记可控制材质应用对象的类型，引擎为每个应用程序编译特殊版本
  - 如结合骨架网格体使用，结合粒子spirate使用等
混合模式
- 不透明（最常用）
- 遮罩Mask（部分固体可见部分不可见，如铁丝网围栏等）
  - 细节面板参数：不透明蒙版剪切值
- 半透明（如玻璃类材质等）
纹理
- 即：材质贴图
着色模型
- 默认光照，大部分实心物体
- 次表面，如冰
- 预整合皮肤，用于人类皮肤
- 双面植物，如树上的树叶
- 毛发，用于逼真的头发材质
- 布料，用于逼真的布料和绒毛
- 眼睛，用于人类眼睛
- 双面，用于植物（法线将被翻转到背面，同时计算正面和背面的光照）
- from材质表达式，用于单一材质处理多个着色模型

[注] 混合模式和着色模型详见官方文档：图形和渲染 - 材质 - 材质属性 https://docs.unrealengine.com/zh-CN/RenderingAndGraphics/Materials/MaterialProperties/index.html

PBR基础(Physically based rendering)

模拟物理表面特性的参数化
PBR可以根据环境光照的反射呈现不同效果
UE4中有两种工作流，第一种更常用，参数含义详见后一部分
- 金属粗糙度工作流（Metal – Roughness Workflow）节点：BaseColor基色、Roughness粗糙度、Metallic金属度
- 反射光泽度工作流（Specular – Glossiness Workflow）节点：Diffuse漫反射、Glossiness光泽度、Specular镜面反射
- 上述两种工作流的公共常用参数：AO环境光遮蔽、Normal法线

材质节点基础参数

BaseColor基础色（PBR工作流1）
- 材质固有色
- Constant4Vector设置，4维向量RGBA （快捷键4）
Metallic金属性（PBR工作流1）
- 镜面反射与漫反射的光线占比，值越大镜面反射越多，越接近金属
- 值限定在0-1，一般不会取中间值
Roughness粗糙度（PBR工作流1）
- 材质表面的粗糙程度
- 值限定在0~1，越粗糙材质漫反射越明显，向更多方向反射
Diffuse漫反射（PBR工作流2）
- 定义漫反射
Specular高光度（PBR工作流2）
- 定义镜面反射
- 和Diffuse共同决定固有色
- Specular + Diffuse共同作用类似工作流1中的Metallic + Roughness
Glossiness光泽度（PBR工作流2）
- 定义光滑程度，类似工作流1中的Roughness
Normal法线（PBR工作流公共常用）
- 高分辨率建模创建的贴图，用于呈现更多表面凹凸层次细节
- 应用于如人脸、武器等精细模型
AO环境光遮蔽（PBR工作流公共常用）
- 屏幕空间环境光遮挡（SSAO）是一种近似计算因遮蔽而造成的光线衰减的效果。通常是在标准全局光照的基础上增添细微效果，例如让角落、裂缝或其他生物变暗，以形成一种更加自然真实的视觉效果。
其他参数
- 各向异性与切线（用于金属拉丝效果）、自发光、不透明度（混合模式为半透明激活该参数）

[注] 具体说明详见官方文档：图形和渲染 - 材质 - 材质输入 https://docs.unrealengine.com/zh-CN/RenderingAndGraphics/Materials/MaterialInputs/index.html

材质图表的计算节点

最常用的技巧
- Multiply正片叠底：如对纹理和白色三维向量相乘后作为baseColor的参数
- Lerp线性插值：如粗糙度的最小最大值通过lerp限定在0~1后作为参数
常用节点&快捷键一览

【A】Add加法：接受两个输入，将它们相加并输出结果。

【B】BumpOffset 凹凸偏移：输入使用灰阶高度贴图（Height Texture）链接高度Height输入引脚提供深度信息；输出链接至贴图UVs输入引脚实现凹凸信息输出。

【C】Comment注释板：节点注释板，用以归类节点。

【D】Divide除法：接受两个输入，将第一个输入除以第二个输入，并输出结果。

【E】Power幂强化：幂函数节点。

【F】MaterialFunctionCall材质函数调用：使用来自另一材质或函数的外部材质函数。

【I】if比较节点：比较两个输入，然后根据比较的结果传递其他三个输入值中的一个。

【L】LinearInterpolate线性差值：根据用作蒙版的第三个输入值，在两个输入值之间进行混合。

【M】Multiply乘法：接受两个输入，将它们相乘，然后输出结果。

【N】Normalize归一化：计算并输出其输入的归一化值。归一化矢量（也称“单位矢量”）的整体长度为1.0。这意味着输入的每个分量都除以矢量的总大小（长度）。

【O】OneMinus一减：接受输入值“X”并输出“1 - X”。此操作逐通道执行。

【P】Panner平移：输出可用于创建平移（或移动）纹理的 UV 纹理坐标。

【R】ReflectionVector反射矢量：该值表示通过表面法线反射的摄像机方向。ReflectionVector通常用于环境贴图，其中反射矢量的x/y分量被用作UV输入立方体贴图纹理。

【S】ScalarParameter标量参数：输出单个浮点值 (Constant常量)，这个值可在材质实例中访问和更改，或者由代码快速访问和更改。

【T】TextureSample纹理采样：输出纹理中的颜色值。贴图用。

【U】TexCoord纹理坐标：UV节点。UV倍率设置必须是2次幂。

【V】VectorParameter矢量参数：与 Constant4Vector功能相同，可在材质实例中以及通过代码来修改的参数。

【1】Constant常量：输出R单个通道浮点值，可以设定为一个目标的单通道输入值。

【2】Constant2Vector常量2矢量：输出RG两个通道浮点值。

【3】Constant3Vector常量3矢量：输出RGB三通道浮点值。

【4】Constant4Vector常量4矢量：输出RGBA四通道浮点值。

AppendVector：低维到高维向量

Mask：蒙版组件，可以指定选择输出多个通道中的几个

使用贴图制作PBR材质

使用fbx模型贴图制作PBR材质
- 贴图通道对应参数关系：
  - diffuse/baseColor贴图 --- BaseColor
  - normal贴图 --- normal
  - occlusion_roughness_metal贴图（复合贴图） --- AO 、 Roughness 、 metallic（标准顺序）
- diffuse固有色贴图以及复合贴图取消勾选sRGB，其他默认设置
- normal贴图的纹理界面设置
- 导入时不新建材质和纹理，手工创建材质
- 转换参数将贴图作为实例化的可配参数
- 使用lerp控制粗糙度为0~1可配参数
使用SubStance Painter等材质软件导出模型贴图并制作PBR材质
- 文件 - 导出贴图 - 匹配 - UE4 packed （标准的通道顺序）
- 将贴图导入UE4引擎，使用贴图创建材质

玻璃&水材质制作（初级）

玻璃
- 材质域：表面，混合模式：半透明，折射模式（Refraction）：折射率
- 玻璃的基础属性：基础色偏浅蓝，高金属度，低粗糙度，标准折射率1.53
- 使用Fresnel菲涅尔节点过渡：表面入射点到相机向量和该点法线向量的夹角越大，亮度越大；夹角越小亮度越暗

水
- 基础属性设置与玻璃接近
- 折射模式（Refraction）：像素正常偏移
- Normal贴图Multiply放大，增强水面波纹效果
- UV divide进行放大
- 使用panner修改UV坐标使水波纹动起来
- 使用lerp将两个UV移动的normal叠加，实现不同方向的水面波动效果

角色皮肤、毛发材质制作（初级）

人物皮肤
- 基于父材质创建实例便于调整
- 着色模型：次表面轮廓（专为皮肤设计）；次表面轮廓profile
- 启用伯力算法（Burley Normalized）
- 高光（Dual Specular）
- NormalMap贴图
- 粗糙度贴图
人物毛发
- 混合模式：遮罩
- 着色模型：头发双面
人物眼球（可以迁移epic digital human工程的眼球）

材质函数

材质函数 是材质图的一些小片段，它们可以保存在包中，并在多个材质之间重复使用。
- 对单个函数的编辑会传遍使用该函数的所有网络
- 在材质编辑器中可以像编辑普通材质一样编辑函数，但是在可以使用哪些节点方面存在一些限制。正确使用函数可降低材质冗余度
创建材质函数完成后，应该将其发布到材质函数库，以方便创建材质期间进行访问。材质函数库是材质编辑器中的一个窗口，其中包含经过分类且可过滤的可用材质函数列表
- 发布到库： Expose to Library 属性被设置为 True
- 材质函数列表：

材质UV计算技巧

uv两通道渐变数值0-1，通过基础运算可以得到矩形渐变，环形(极坐标)渐变，棋盘格等效果
UV计算常用节点
- 重映射范围：remap
- 其他范围控制类节点：abs ceil claimp min max
- 向量计算：normalize mask
- 过渡节点：线性插值lerp
- 基本数学计算节点：multiply divide add sub 1-x power
- 三角函数：正反切atange+uv = 极坐标渐变正余弦sin cos
- 分数节点：取小数frac 四舍五入round
- 法线坐标节点：顶点法线vertexNormal 像素法线pixelNormal
- 坐标系变换：transfomVector，用于屏幕材质
- 材质动画节点：panner time flipbook
time节点结合不同曲线，接材质世界位置偏移属性，产生材质动画效果
- 波形曲线sin cos
- x y轴一个sin 一个cos --- 圆周运动
- 折形线frac

材质常用属性设置&节点

【属性】材质lighting mode
- 无光照常用于自发光材质
- subsurface即3s材质，常用于皮肤、玉石、蜡烛等
【属性】Translucency Volume
- surface forwarding：前向渲染，效果最好开销最大
- Volumetric NonDirection：不会使用法线，光照无方向
- Volumetric Direction：会使用法线，光照有方向
- Volumetric PerVetex NonDirection、Volumetric PerVetex Direction：性能最cheap的方式
【节点】feature Level Switch节点
- ES为移动平台，SM为PC等高性能平台，用于区分平台优化性能
【节点】time节点实现简单的材质动画效果，常用于light function
【节点】panner节点对UV平移
【属性】半透明材质render after DOF选项，在景深后渲染
- 常用于解决材质不受sequencer焦距影响的问题
【属性】曲面细分Tessellation
- PN三角形相对于Flat Tessellation在细分时会进行平滑
- 常结合displacement（置换贴图）使用
  - 置换贴图 ---> world displacement
  - Tesselation multiplier ---> 曲面细分强度参数化
【属性】UE4的PBR：金属度Metalic一般非黑即白，一般结合粗糙度Roughness调整高光，不用高光specular
【属性】3s材质中opacity含义有变，表示通透度，即光线穿透后散射的颜色及强弱
【节点】vertex normal iws节点：顶点法线转世界坐标
【节点】fresnel function节点：菲涅尔现象材质函数
【属性】法线贴图一般RG通道有信息，B通道表示强弱
【属性】PBR纹理一般可以把AO，金属度，粗糙度放在一张贴图的不同通道(复合贴图)，通过mask节点获取
【节点】嵌套使用blend corrected normal节点可以叠加多张normal map
【节点】材质函数使用input节点输入参数，make material attrs节点打包输出参数，主材质使用use material attrs解决材质函数单个输出端的问题，多级材质函数使用break material attrs节点接收上一级材质函数的输入
【节点】使用材质函数实现分层材质中的材质layer，使用material blend standard节点进行分层材质混合（地形分层材质中使用landscape开头的blend节点）
【节点】Dither temporalAA节点常用于蒙版半透明，各向异性效果（金属拉丝/头发高光）、风格化等场景
- 使用masked材质域 + Dither temporalAA实现半透明材质能减少性能消耗，关键属性opacity mask

后处理材质基础

关于后期处理的重要基础知识
- 材质模式设置为postprocess
- Scene texture节点:
  - texture-id选择渲染后的不同信息，如PostprocessInput，输出4维数据
  - texture-id选择normal能够获取方向信息
    - R(X)G(Y)B(Z)选择场景中的不同方向面
  - texture-id选择scene depth获取场景深度信息
    - divide一个常数参数控制深度
- blend position参数控制调色时机
  - GPU Visualizer窗口：ctrl + shift +‘ ,’ 调出窗口展示如何渲染一帧
  - 材质details中搜索blend
    - 一般选择before tonemaping，在后期盒子调色之前混合后处理材质，避免抖动
- 后期排序
  - 场景中多个后期盒子叠加，可以设置优先级
  - blend position设置的渲染管线顺序>后期优先级设置
  - 后期盒子中添加了多个后处理材质，材质会按先后顺序计算并叠加
- custom depth /stencil扣图后期
  - 模型的Render CustomDepth Pass选项
  - buffer视口：Lit - BufferVisualizer 选择各个GBuffer通道查看
    - 选择custome depth可以查看勾选了Render CustomDepth Pass选项的模型
实例1 - 场景调色
- 按深度上色：取深度信息的一个通道作为alpha, 对场景进行后期调色
  - 使用黑色和场景后处理输出lerp叠加，实现恐怖效果
- 用深度驱动曲线分层上色：Curve + Curve Atlas
  - 新建线性颜色曲线：Miscellaneous - Curve - curveLinearColor，设置颜色曲线分布
  - 新建曲线图集：Miscellaneous - Curve Atlas（曲线管理工具），关联颜色曲线
  - 材质中CurveAtlasRowParameter节点，深度信息作为CurveTime输入，曲线输出和后处理输出叠加后给EmissiveColor

实例2 - 扰动和模糊
- 根据水normal+噪波图纹理扰动UV，实现屏幕水波纹效果
- 一些屏幕相关节点:
  - Field Of View / Screen Resolution屏幕大小信息
  - Screen Postion屏幕空间位置
  - Screen Aligned UV屏幕空间UV
  - CheapContrast对比度调节
- 使用DitherTemporalAA节点叠加UV实现噪波模糊效果
  - DitherTemporalAA节点每一个像素介于0-1之间波动，带透明效果
  - UV坐标sub0.5后和DitherTemporalAA相乘实现飞奔时的屏幕模糊效果
实例3 - 描边
- 法1：SceneTexture-Normal通道 + 卷积（相邻像素的法向量距离越大，叠加颜色越明显）
- 法2：SceneTexture-Depth通道 + 卷积（相邻像素的深度值距离越大，叠加颜色越明显）
实例4 - CustomDepth/CustomStencil抠图处理
- CustomDepth抠图高亮
  - 使用SceneTexture-CustomDepth通道叠加颜色后和后处理输出叠加
  - 场景中勾选了Render CustomDepth Pass选项的所有物体将被高亮
- CustomDepth Stencil指定场景物体，不同颜色高亮
  - 项目设置里custom Depth-Stencil Pass选择Enabled with stencil
  - 模型中cutomDepth stencel value参数设置不同值
  - 后处理材质中使用SceneTexture-CustomDepth通道获取，用if节点判断值区分物体
实例5 - 蓝图中控制后期材质，如高亮或描边
- 法1、MPC（材质参数集）
  - MPC创建：Materials - Material Parameter Collection
  - 后期材质中拖入MPC，使用MPC中的参数替代原参数
  - 任意蓝图中可以直接指定MPC并修改参数：
    - set vector parameter value（3维的参数）
    - set scaler parameter value（1维的参数）
  - MPC是全局参数集，若多个蓝图同时修改该参数集会有竞争问题，此时应该使用MID方法
- 法2、MID（动态材质实例）
  - 蓝图中添加postprocess组件, 用box包裹该组件可控制后处理影响范围
  - Construct Script中指定后处理材质create dynamic material并保存（隐藏的有点深。。如下图）
  - 设置postprocess组件中的material为保存的动态材质实例
  - 蓝图中修改动态材质实例的参数，节点名与MPC相同：
    - set vector parameter value（3维的参数）
    - set scaler parameter value（1维的参数）
- 蓝图控制节点补充：控制模型的customDepth参数
  - set custom depth stencil value节点：设置stencil value
  - set render custom depth节点：设置Render CustomDepth Pass选项