隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D材質(zhì)創(chuàng)作正迎來新的趨勢。其中，程序化材質(zhì)作為一種創(chuàng)新的方法，正在引起廣泛關(guān)注。程序化材質(zhì)的獨(dú)特之處在于它能夠通過算法和參數(shù)的調(diào)整，以一人之力勝過十人的創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)，讓我們一起揭秘程序化材質(zhì)的魅力，通過虛幻引擎探索其在3D材質(zhì)創(chuàng)作中的新趨勢。

程序化是指使用計(jì)算機(jī)程序來自動生成或處理數(shù)據(jù)、內(nèi)容、圖形等的過程。它基于算法和規(guī)則，通過自動化的方式生成、修改或操作目標(biāo)對象，以達(dá)到特定的目標(biāo)或滿足特定的需求。在計(jì)算機(jī)圖形和游戲開發(fā)領(lǐng)域，程序化經(jīng)常被用于生成和處理材質(zhì)、紋理、模型、動畫等內(nèi)容。程序化方法可以通過算法和參數(shù)化的方式來創(chuàng)建多樣化的視覺效果，減少手工制作的工作量，并提供更高程度的可定制性。

程序化材質(zhì)是一種通過算法和參數(shù)控制生成紋理和材質(zhì)的方法，而不是使用傳統(tǒng)的手工繪制或貼圖的方式。它基于數(shù)學(xué)公式和算法，根據(jù)輸入的參數(shù)和規(guī)則生成材質(zhì)的外觀和屬性。這使得開發(fā)人員能夠快速創(chuàng)建復(fù)雜、高質(zhì)量的材質(zhì)，而無需手動繪制每個(gè)細(xì)節(jié)。

(資料圖片僅供參考)

程序化材質(zhì)在虛幻引擎中扮演著重要的角色，并具有許多優(yōu)勢。

提供無限的變化：程序化材質(zhì)可以根據(jù)算法和參數(shù)的設(shè)置，生成無限多樣的紋理和效果。這使得開發(fā)者能夠創(chuàng)造出獨(dú)特的、不重復(fù)的材質(zhì)，為游戲或虛擬場景帶來更多的視覺多樣性。

節(jié)省時(shí)間和資源：使用程序化材質(zhì)，開發(fā)者可以快速生成復(fù)雜的材質(zhì)效果，而無需手動繪制每個(gè)細(xì)節(jié)。這節(jié)省了大量的時(shí)間和資源，并提高了開發(fā)效率。

可調(diào)整性和可重用性：程序化材質(zhì)通常具有可調(diào)整的參數(shù)，開發(fā)者可以根據(jù)需要輕松修改材質(zhì)的外觀。此外，程序化材質(zhì)可以被重復(fù)使用，應(yīng)用于不同的模型和場景中，提高了工作流程的效率。

靈活性和動態(tài)性：程序化材質(zhì)可以根據(jù)游戲中的不同條件和交互，實(shí)時(shí)地改變外觀和行為。這使得材質(zhì)能夠?qū)庹?、天氣、時(shí)間等動態(tài)因素做出響應(yīng)，增強(qiáng)了游戲的真實(shí)感和沉浸感。

優(yōu)化性能：程序化材質(zhì)可以通過減少紋理貼圖的使用和優(yōu)化渲染流程，提高游戲的性能表現(xiàn)。較小的紋理尺寸和更少的紋理開銷可以減少內(nèi)存占用，并提高游戲在不同平臺上的運(yùn)行效率。

程序化材質(zhì)可以與人工智能（AI）技術(shù)結(jié)合使用，AI技術(shù)能為程序化材質(zhì)的創(chuàng)建和調(diào)整提供更多的智能化和自動化功能，進(jìn)一步提升材質(zhì)的質(zhì)量和創(chuàng)造力。

比如，AI可以通過學(xué)習(xí)大量的圖像數(shù)據(jù)和樣本，自動生成逼真的材質(zhì)紋理，并通過深度學(xué)習(xí)和生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）等技術(shù)，模擬和生成各種材質(zhì)的細(xì)節(jié)和特征，為程序化材質(zhì)的創(chuàng)建提供更多的可能性。還通過分析和優(yōu)化程序化材質(zhì)的參數(shù)，自動調(diào)整材質(zhì)的外觀和效果。通過訓(xùn)練AI模型，可以實(shí)現(xiàn)自動化的材質(zhì)參數(shù)優(yōu)化，使得材質(zhì)在視覺上更加吸引人或符合特定的設(shè)計(jì)需求。另外也能監(jiān)測游戲或虛擬場景中的動態(tài)變化，并實(shí)時(shí)調(diào)整程序化材質(zhì)以適應(yīng)不同的情境，就能根據(jù)光照條件的變化，自動調(diào)整材質(zhì)的反射和折射效果，以實(shí)現(xiàn)更逼真的渲染結(jié)果。不僅如此，AI通過學(xué)習(xí)不同材質(zhì)的特征和風(fēng)格，將一個(gè)材質(zhì)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)材質(zhì)，或者進(jìn)行風(fēng)格遷移。這種能力可以使開發(fā)者更輕松地實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)格的材質(zhì)切換，或者將現(xiàn)實(shí)世界中的材質(zhì)效果應(yīng)用到虛擬場景中。

通過將程序化材質(zhì)與AI技術(shù)結(jié)合，可以進(jìn)一步提升材質(zhì)的質(zhì)量、創(chuàng)造力和逼真度，為游戲開發(fā)和虛擬場景創(chuàng)作帶來更多的可能性。

材質(zhì)父項(xiàng)指的是一個(gè)材質(zhì)實(shí)例繼承屬性和行為的基礎(chǔ)材質(zhì)，材質(zhì)父項(xiàng)允許你在基礎(chǔ)材質(zhì)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)新的材質(zhì)實(shí)例，并對其進(jìn)行修改和定制，而無需修改基礎(chǔ)材質(zhì)本身，我們所做的一些程序化內(nèi)容都在父項(xiàng)內(nèi)創(chuàng)建，通過子項(xiàng)的繼承只需要修改其中參數(shù)或貼圖。

上圖是一個(gè)關(guān)于風(fēng)的材質(zhì)動畫，可能會有同學(xué)納悶，一是風(fēng)是看不見摸不著的，如何表現(xiàn)？二是材質(zhì)按理說應(yīng)該是二維像素附著于物體表面，為什么像素還能在物體表面運(yùn)動？三是在大多數(shù)3d軟件中，材質(zhì)欄是制作3d軟件的程序員已經(jīng)寫好的，我們只需要賦貼圖、調(diào)參數(shù)就能控制材質(zhì)表現(xiàn)，而在虛幻引擎中有這么多節(jié)點(diǎn)，它是怎么工作的？四是就憑這幾個(gè)參數(shù)就能造一個(gè)材質(zhì)動畫出來？五是材質(zhì)動畫與我們的程序化材質(zhì)有什么關(guān)聯(lián)？

風(fēng)的表現(xiàn)一般靠物體運(yùn)動來獲得，比如紅旗飄動、樹葉飄動、窗簾飄動，但是真的去給它們在3d軟件中做出動畫效果再導(dǎo)入到引擎里是很麻煩并且耗費(fèi)資源的，在實(shí)時(shí)引擎渲染中，為了使畫面流暢，可以在保證畫面質(zhì)量的同時(shí)，提高性能和用戶體驗(yàn)，我們會用一些方式控制幀率在最佳水平。材質(zhì)動畫就比物體動畫耗費(fèi)的資源要少，并且一個(gè)材質(zhì)可以賦給多個(gè)物體。它的工作流程也很簡單，用上圖舉例，我們可以把它分解成三個(gè)部分：輸入函數(shù)-節(jié)點(diǎn)開關(guān)-輸出函數(shù)。紅色方框表示這個(gè)材質(zhì)的函數(shù)生成部分，最左邊的函數(shù)用來控制樹木的葉子、樹干、樹葉上的裝飾，我們打開其中一項(xiàng)進(jìn)入它的子層級。

可以看到通過這些節(jié)點(diǎn)，設(shè)置了粗糙度，基本顏色，高光參數(shù)欄等等，也可以根據(jù)季節(jié)調(diào)整樹葉的數(shù)量，表面著色（比如腐爛樹葉，帶雪的樹葉），并將這些參數(shù)設(shè)置直接暴露給材質(zhì)實(shí)例也就是子項(xiàng)。

再回到上一級，中間的wind是關(guān)于風(fēng)向的函數(shù)，我們打開它的子層級。

這里是整個(gè)風(fēng)力函數(shù)的全部節(jié)點(diǎn)，各個(gè)主節(jié)點(diǎn)中又嵌套了多種函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)這個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能，其中包含風(fēng)向，風(fēng)速，風(fēng)力，旋轉(zhuǎn)，重力等多個(gè)參數(shù)，嵌套太多，我們就不一一展開看了。

再回到上一級，藍(lán)色框是控制這一層級內(nèi)所有函數(shù)關(guān)聯(lián)的開關(guān)，我們可以在子材質(zhì)中開啟或關(guān)閉其中一項(xiàng)節(jié)點(diǎn)的功能。

白色框內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將樹木節(jié)點(diǎn)與風(fēng)的節(jié)點(diǎn)串聯(lián)了起來，相當(dāng)于一個(gè)樞紐，通過字面意思，“材質(zhì)屬性”大家應(yīng)該了解是什么，“全局位置偏移”大部分沒接觸圖形學(xué)的人會比較陌生，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的技術(shù)，用于在頂點(diǎn)著色器中對模型的頂點(diǎn)位置進(jìn)行偏移，以實(shí)現(xiàn)更靈活和動態(tài)的效果。

最終得到的結(jié)果是一個(gè)丑丑的動態(tài)材質(zhì)球，我們進(jìn)一步使用這個(gè)父項(xiàng)創(chuàng)建一個(gè)材質(zhì)實(shí)例。

得到了一個(gè)可以調(diào)節(jié)參數(shù)的窗口，這里面的參數(shù)都是通過父項(xiàng)暴露出的節(jié)點(diǎn)生成的。

上面的三個(gè)圖像欄也是通過節(jié)點(diǎn)暴露出的，分別是基本材質(zhì)貼圖，不透明度RGB貼圖，法線貼圖，這里可以替換成其他你想要的貼圖，底下的父項(xiàng)就是剛才用函數(shù)制作的材質(zhì)。

最后我們把調(diào)整好參數(shù)的材質(zhì)實(shí)例賦予樹的模型，可以通過左邊的窗口可以看到樹的基本形態(tài)，放入場景中，還可以擺放風(fēng)力系統(tǒng)使動態(tài)效果更加明顯，這樣的一個(gè)程序化材質(zhì)到這里就算完成了。

材質(zhì)動畫與程序化材質(zhì)其實(shí)是兩個(gè)概念，材質(zhì)動畫的生成方式有多種，在這里我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)更多的功能，使用了調(diào)用函數(shù)去實(shí)現(xiàn)結(jié)果的方式，不依賴于預(yù)先制作的紋理圖像，而是通過節(jié)點(diǎn)之間的連接和參數(shù)的調(diào)整來生成材質(zhì)的外觀，這種方式使得材質(zhì)的外觀可以根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和變化，這又是程序化材質(zhì)的原理，我們可以將這種實(shí)現(xiàn)方式統(tǒng)稱為程序化材質(zhì)。

看到這里大家是不是直呼上當(dāng)，這個(gè)東西怎么這么復(fù)雜，它的結(jié)構(gòu)簡單，但生成過程相對復(fù)雜，雖然程序化材質(zhì)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些挑戰(zhàn)和限制，比如學(xué)習(xí)曲線陡峭，需要一定的技術(shù)和圖形學(xué)知識。掌握節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、算法和參數(shù)調(diào)整需要一些時(shí)間和精力，對于初學(xué)者來說，可能需要一段時(shí)間才能熟練運(yùn)用。另外創(chuàng)建復(fù)雜的程序化材質(zhì)可能需要大量的節(jié)點(diǎn)和參數(shù)調(diào)整。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性可能會導(dǎo)致材質(zhì)的創(chuàng)建和編輯變得復(fù)雜和困難，需要仔細(xì)的規(guī)劃和組織節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，以確保材質(zhì)效果的正確實(shí)現(xiàn)。

程序化材質(zhì)在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，我們可以期待一系列創(chuàng)新和改進(jìn)，以進(jìn)一步提升其功能和效果，其中包括更高級的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、智能算法和更強(qiáng)大的工具支持，這將使藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師能夠更輕松地創(chuàng)建復(fù)雜的程序化材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)更多樣化和逼真的外觀效果。

目前的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，但未來的發(fā)展將進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。我們可以期待更多種類的節(jié)點(diǎn)，涵蓋更廣泛的材質(zhì)屬性和效果。例如，更復(fù)雜的光照模型、更精確的物理仿真和更高級的紋理生成算法等。這些節(jié)點(diǎn)的引入將使開發(fā)人員能夠更精細(xì)地控制材質(zhì)的外觀和行為，從而創(chuàng)建更逼真和多樣化的效果。

其次，智能算法的應(yīng)用將為程序化材質(zhì)帶來更高效和智能的創(chuàng)作過程。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，可以訓(xùn)練模型來生成材質(zhì)、優(yōu)化參數(shù)和實(shí)時(shí)調(diào)整外觀。這將減少開發(fā)人員手動調(diào)整和試錯(cuò)的時(shí)間，提高工作效率。智能算法還可以通過分析和理解藝術(shù)家的創(chuàng)作意圖，自動推薦合適的節(jié)點(diǎn)和參數(shù)設(shè)置，為藝術(shù)家提供更多創(chuàng)作靈感和支持。

此外，更強(qiáng)大的工具支持將進(jìn)一步推動程序化材質(zhì)的發(fā)展。虛幻引擎和其他相關(guān)工具將提供更多的內(nèi)置節(jié)點(diǎn)和材質(zhì)模板，使初學(xué)者能夠更輕松地入門和使用程序化材質(zhì)。同時(shí)，開發(fā)者社區(qū)將積極分享和交流他們的創(chuàng)作經(jīng)驗(yàn)和技巧，為其他人提供學(xué)習(xí)和參考的資源。這將促進(jìn)程序化材質(zhì)的普及和發(fā)展，推動整個(gè)行業(yè)向前發(fā)展。

未來的程序化材質(zhì)發(fā)展將涉及更高級的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、智能算法和更強(qiáng)大的工具支持。這些創(chuàng)新和改進(jìn)將為開發(fā)人員和藝術(shù)家提供更多創(chuàng)作的可能性和靈活性，推動游戲開發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。隨著這些趨勢的發(fā)展，我們可以期待看到更逼真、多樣化和創(chuàng)新的程序化材質(zhì)在未來的游戲中得到廣泛應(yīng)用。

賈曄昕

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