隨著計算機圖形技術的不斷進步，3D材質創作正迎來新的趨勢。其中，程序化材質作為一種創新的方法，正在引起廣泛關注。程序化材質的獨特之處在于它能夠通過算法和參數的調整，以一人之力勝過十人的創作團隊，讓我們一起揭秘程序化材質的魅力，通過虛幻引擎探索其在3D材質創作中的新趨勢。

程序化是指使用計算機程序來自動生成或處理數據、內容、圖形等的過程。它基于算法和規則，通過自動化的方式生成、修改或操作目標對象，以達到特定的目標或滿足特定的需求。在計算機圖形和游戲開發領域，程序化經常被用于生成和處理材質、紋理、模型、動畫等內容。程序化方法可以通過算法和參數化的方式來創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。

程序化材質是一種通過算法和參數控制生成紋理和材質的方法，而不是使用傳統的手工繪制或貼圖的方式。它基于數學公式和算法，根據輸入的參數和規則生成材質的外觀和屬性。這使得開發人員能夠快速創建復雜、高質量的材質，而無需手動繪制每個細節。

(資料圖片僅供參考)

程序化材質在虛幻引擎中扮演著重要的角色，并具有許多優勢。

提供無限的變化：程序化材質可以根據算法和參數的設置，生成無限多樣的紋理和效果。這使得開發者能夠創造出獨特的、不重復的材質，為游戲或虛擬場景帶來更多的視覺多樣性。

節省時間和資源：使用程序化材質，開發者可以快速生成復雜的材質效果，而無需手動繪制每個細節。這節省了大量的時間和資源，并提高了開發效率。

可調整性和可重用性：程序化材質通常具有可調整的參數，開發者可以根據需要輕松修改材質的外觀。此外，程序化材質可以被重復使用，應用于不同的模型和場景中，提高了工作流程的效率。

靈活性和動態性：程序化材質可以根據游戲中的不同條件和交互，實時地改變外觀和行為。這使得材質能夠對光照、天氣、時間等動態因素做出響應，增強了游戲的真實感和沉浸感。

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

程序化材質可以與人工智能（AI）技術結合使用，AI技術能為程序化材質的創建和調整提供更多的智能化和自動化功能，進一步提升材質的質量和創造力。

比如，AI可以通過學習大量的圖像數據和樣本，自動生成逼真的材質紋理，并通過深度學習和生成對抗網絡（GAN）等技術，模擬和生成各種材質的細節和特征，為程序化材質的創建提供更多的可能性。還通過分析和優化程序化材質的參數，自動調整材質的外觀和效果。通過訓練AI模型，可以實現自動化的材質參數優化，使得材質在視覺上更加吸引人或符合特定的設計需求。另外也能監測游戲或虛擬場景中的動態變化，并實時調整程序化材質以適應不同的情境，就能根據光照條件的變化，自動調整材質的反射和折射效果，以實現更逼真的渲染結果。不僅如此，AI通過學習不同材質的特征和風格，將一個材質轉換為另一個材質，或者進行風格遷移。這種能力可以使開發者更輕松地實現不同風格的材質切換，或者將現實世界中的材質效果應用到虛擬場景中。

通過將程序化材質與AI技術結合，可以進一步提升材質的質量、創造力和逼真度，為游戲開發和虛擬場景創作帶來更多的可能性。

材質父項指的是一個材質實例繼承屬性和行為的基礎材質，材質父項允許你在基礎材質的基礎上創建一個新的材質實例，并對其進行修改和定制，而無需修改基礎材質本身，我們所做的一些程序化內容都在父項內創建，通過子項的繼承只需要修改其中參數或貼圖。

上圖是一個關于風的材質動畫，可能會有同學納悶，一是風是看不見摸不著的，如何表現？二是材質按理說應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動？三是在大多數3d軟件中，材質欄是制作3d軟件的程序員已經寫好的，我們只需要賦貼圖、調參數就能控制材質表現，而在虛幻引擎中有這么多節點，它是怎么工作的？四是就憑這幾個參數就能造一個材質動畫出來？五是材質動畫與我們的程序化材質有什么關聯？

風的表現一般靠物體運動來獲得，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入到引擎里是很麻煩并且耗費資源的，在實時引擎渲染中，為了使畫面流暢，可以在保證畫面質量的同時，提高性能和用戶體驗，我們會用一些方式控制幀率在最佳水平。材質動畫就比物體動畫耗費的資源要少，并且一個材質可以賦給多個物體。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部分：輸入函數-節點開關-輸出函數。紅色方框表示這個材質的函數生成部分，最左邊的函數用來控制樹木的葉子、樹干、樹葉上的裝飾，我們打開其中一項進入它的子層級。

可以看到通過這些節點，設置了粗糙度，基本顏色，高光參數欄等等，也可以根據季節調整樹葉的數量，表面著色（比如腐爛樹葉，帶雪的樹葉），并將這些參數設置直接暴露給材質實例也就是子項。

再回到上一級，中間的wind是關于風向的函數，我們打開它的子層級。

這里是整個風力函數的全部節點，各個主節點中又嵌套了多種函數用來實現這個節點的功能，其中包含風向，風速，風力，旋轉，重力等多個參數，嵌套太多，我們就不一一展開看了。

再回到上一級，藍色框是控制這一層級內所有函數關聯的開關，我們可以在子材質中開啟或關閉其中一項節點的功能。

白色框內的節點將樹木節點與風的節點串聯了起來，相當于一個樞紐，通過字面意思，“材質屬性”大家應該了解是什么，“全局位置偏移”大部分沒接觸圖形學的人會比較陌生，它是計算機圖形學中常用的技術，用于在頂點著色器中對模型的頂點位置進行偏移，以實現更靈活和動態的效果。

最終得到的結果是一個丑丑的動態材質球，我們進一步使用這個父項創建一個材質實例。

得到了一個可以調節參數的窗口，這里面的參數都是通過父項暴露出的節點生成的。

上面的三個圖像欄也是通過節點暴露出的，分別是基本材質貼圖，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，底下的父項就是剛才用函數制作的材質。

最后我們把調整好參數的材質實例賦予樹的模型，可以通過左邊的窗口可以看到樹的基本形態，放入場景中，還可以擺放風力系統使動態效果更加明顯，這樣的一個程序化材質到這里就算完成了。

材質動畫與程序化材質其實是兩個概念，材質動畫的生成方式有多種，在這里我們為了實現更多的功能，使用了調用函數去實現結果的方式，不依賴于預先制作的紋理圖像，而是通過節點之間的連接和參數的調整來生成材質的外觀，這種方式使得材質的外觀可以根據需要進行實時調整和變化，這又是程序化材質的原理，我們可以將這種實現方式統稱為程序化材質。

看到這里大家是不是直呼上當，這個東西怎么這么復雜，它的結構簡單，但生成過程相對復雜，雖然程序化材質具有很多優點，但也存在一些挑戰和限制，比如學習曲線陡峭，需要一定的技術和圖形學知識。掌握節點系統、算法和參數調整需要一些時間和精力，對于初學者來說，可能需要一段時間才能熟練運用。另外創建復雜的程序化材質可能需要大量的節點和參數調整。節點系統的復雜性可能會導致材質的創建和編輯變得復雜和困難，需要仔細的規劃和組織節點網絡，以確保材質效果的正確實現。

程序化材質在計算機圖形領域有著廣闊的應用前景，我們可以期待一系列創新和改進，以進一步提升其功能和效果，其中包括更高級的節點系統、智能算法和更強大的工具支持，這將使藝術家和設計師能夠更輕松地創建復雜的程序化材質，實現更多樣化和逼真的外觀效果。

目前的節點系統已經相當強大，但未來的發展將進一步擴展其功能。我們可以期待更多種類的節點，涵蓋更廣泛的材質屬性和效果。例如，更復雜的光照模型、更精確的物理仿真和更高級的紋理生成算法等。這些節點的引入將使開發人員能夠更精細地控制材質的外觀和行為，從而創建更逼真和多樣化的效果。

其次，智能算法的應用將為程序化材質帶來更高效和智能的創作過程。通過機器學習和人工智能技術，可以訓練模型來生成材質、優化參數和實時調整外觀。這將減少開發人員手動調整和試錯的時間，提高工作效率。智能算法還可以通過分析和理解藝術家的創作意圖，自動推薦合適的節點和參數設置，為藝術家提供更多創作靈感和支持。

此外，更強大的工具支持將進一步推動程序化材質的發展。虛幻引擎和其他相關工具將提供更多的內置節點和材質模板，使初學者能夠更輕松地入門和使用程序化材質。同時，開發者社區將積極分享和交流他們的創作經驗和技巧，為其他人提供學習和參考的資源。這將促進程序化材質的普及和發展，推動整個行業向前發展。

未來的程序化材質發展將涉及更高級的節點系統、智能算法和更強大的工具支持。這些創新和改進將為開發人員和藝術家提供更多創作的可能性和靈活性，推動游戲開發領域的技術進步和創新。隨著這些趨勢的發展，我們可以期待看到更逼真、多樣化和創新的程序化材質在未來的游戲中得到廣泛應用。

賈曄昕

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