Unreal4中技术美术需要掌握的15种曲线

本文主要针对刚入门或入门不久的美术人员，分享一些想入门 Unreal4 的学习心得。

一、Unreal4 的物理材质

在 Unreal 的着色器体系（UE4）中，金属的漫反射颜色并非纯黑；而在传统 PBR 着色器体系（V-Ray）中，金属的漫反射颜色为纯黑。因此，在 UE4 中调整漫反射颜色时，应参考传统渲染（V-Ray）中的反射颜色（若使用 RGB 衰减曲线控制反射颜色，则另当别论）。

二、基本材质属性

玻璃材质的漫反射值设为 1（即纯白），金属度（Metal）设为 1，不透明度（Opacity）大约为 0.5（可根据实际情况调整）。将材质类型（Blend Mode）改为“Translucent”，当出现折射项后，使用 lerp（混合）节点从 1 混合到 1.517，遮罩 alpha 连接菲涅尔节点（无需设置任何参数）。若要透过玻璃看到后面物体的反射，需将玻璃材质的“Translucent Lighting Mode”调为“Surface”。

三、单面和双面

UE4 和 V-Ray 一样，默认采用单面渲染。对于半透明物体，需要开启“Two Side”才能计算背面信息。例如，对于没有厚度的单面纱帘模型，只有开启“Two Side”才能正确计算背面的受光情况。在 V-Ray 中，这对应“V-Ray 2-Side Material”；在 UE4 中，则在网格（Mesh）面板中勾选相应选项。此外，游戏引擎对于单面模型还有一个特性：只渲染法线正面朝向视角的面。也就是说，如果一个面片未勾选“Two Side”，且法线背向视角，那么该面片将不可见。而在 V-Ray 中，虽然另一面不计算信息，但至少面对视角的面会进行计算。

四、Unreal4 节点

对于美术人员而言，材质面板中各种节点的运用至关重要。对于习惯了像 V-Ray 之类离线渲染流程的美术人员来说，过渡到游戏引擎时会有一个显著变化：之前的离线渲染将各种功能图形化，使用者在图形化面板中进行操作。例如，在 V-Ray 中有“混合”“合成”“输出”等贴图界面，并且各种功能的命名会考虑美术使用者的习惯，而不会强调其中的数学原理，如“V-Ray Dirt 污垢贴图”，实际上它是多个数学节点的图形化集合。然而，在游戏引擎中，图形化界面被各种节点所取代，使用者需要更多地接触相对数学层面的操作模式。下面将分享个人对 UE4 中这些节点的理解。

五、强调 RGB 数学

在深入了解节点之前，有必要先探讨图形学和数学的关系。在图形学中，任何颜色都由 RGB 三原色构成，再加上 Alpha 通道表示透明度，从数学层面来看，它们就是 4 个通道的数字，这些数字可以是整数或小数。同样，任何空间位置由 xyz 三个坐标值（三通道）表示，也是数字。无论是处理颜色变化（贴图变化本质也是颜色变化），还是处理空间变量，本质上都是对这些数字进行操作。因此，“混合”“衰减”等功能本质上都是数字处理。如果将输入量设为 X（X 可以是四通道的颜色数据、三通道的坐标和向量数据，也可以是单通道的时间数据），输出量设为 Y（含义同 X），这些功能都可以用独特的曲线来表示。我们运用这些节点的目的，就是让颜色、时间、空间等数据按照我们的要求进行相互转化或自身转化。

六、15 条功能曲线

接下来将详细介绍这些“功能”曲线，只要输入一个 X 值，就会输出对应的 Y 值。配图顶部的颜色条用于直观显示输入值 X 变化时，输出值 Y 作为颜色的变化情况（在 UE4 中，颜色范围规定为 0 到 1，可以是该范围内的任意数字）。若输出值 Y 超出 0 到 1 的范围，则颜色条显示的是颜色的变化关系，而非准确的对应关系。

1. ABS 节点（“绝对值”曲线）

该曲线的特点是不会输出负值，在一定程度上适用于颜色处理（UE4 中 RGB 值范围为 0 到 1，其他软件可能为 0 到 255，但最终都会转换为 0 到 1 的范围），因为颜色数据不能为负值。例如，输入一个三通道数据 0.5, 0.5, 0.5，输出结果仍为 0.5, 0.5, 0.5，这表示一种中度灰色，介于纯黑和纯白之间。即使输入负值，输出也会变为正值。在空间坐标应用中，如果将时间作为 X 输入到 sin 曲线（后续会介绍），sin 曲线的输出值 Y 范围在 -1 到 1 之间。再将这个值作为 X 输入到 ABS 曲线，得到的 Y 值范围将变为 0 到 1，具体如何使用可根据需求决定。需要注意的是，无论是否与 sin 曲线结合，ABS 曲线的输出值始终大于等于 0，且可以是无穷大。

2. Frac 节点（取小数曲线）

该曲线的特性是无论输入值大小如何，都会忽略整数部分，只保留小数部分，并在 0 到 1 的区间内找到对应的 Y 值，实际上 Y 值就是小数部分本身，输出区间为 0 到 1（可以等于 0 或 1）。因此，该曲线非常适合用于颜色处理。例如，输入三通道数据 2.2, 5.3, 45.25（数据来源不重要），与输入 541.2, 125.3, -512.25 得到的 Y 值作为颜色显示时是相同的，因为输出值都是它们的小数部分：0.2, 0.3, 0.25。

3. Floor 节点（退位取整数曲线）

该曲线不一定适用于颜色处理，因为其输出值可以是负值，也可以大于 1。所谓“退位取整数”，就是输入任意值 X，该节点会舍弃小数部分，只保留整数部分作为输出值 Y。其适用场景是只需要得到一个整数，而不需要小数部分的情况。需要注意的是，配图中上方的颜色条显示的是变化关系，而非对应关系。这是因为在该图表中，输出值要么是 0（纯黑），要么是 1（纯白），当输出为 2 或 3 时，无法直接用颜色表示，所以通过缩放来展示颜色的递进关系。后续配图出现相同情况时，不再赘述。

4. Ceil 节点（进位取整数曲线）

Ceil 节点与 Floor 节点类似，但不同之处在于，当输入值 X 有小数部分时，在舍弃小数的同时会进一位到整数。例如，输入 19.521，输出将变为 20。该节点也不太适合用于颜色处理。

5. FMod 节点（余数曲线）

该曲线有两个输入值 Xa 和 Xb，输出结果为 Xa 除以 Xb 的余数。例如，在配图中 Xb 设定为 2，当 Xa 为 3 时，输出值 Y 为 1，因为 3 除以 2 商 1 余 1，商的大小不重要，关键是余数，即输出值 Y。在实际应用中，这也被称为循环，循环的起点值是 0（注意不是 Xa），终点值是输入值 Xb，输出值 Y 的范围在 0 到 Xb 之间。Xa 的作用在于，当 Xa 是一个不受主观控制的变量，或者 Xa 很大或很小时，可以通过设定 Xb 的值来限定循环次数。例如，假设一个值为 10（可以是空间单位或时间单位），若要每到 5 进行一次循环，只需将 Xb 设定为 5。无论输入值是 100 还是 250，都会每到 5 循环一次，最终输出值都在 0 到 5 之间。如果这个单位是时间，通过该节点可以实现一个循环计时器，每到规定时间就触发一个事件。

6. Power 节点（曲线绝对值）

Power 节点与 ABS 曲线类似，但该节点有第二个输入值 Xb。当 Xb 等于 1 时，曲线与 ABS 曲线完全相同；当 Xb 大于 1 时，配图中的红色曲线呈类似指数曲线的形状，输出值 Y 先缓慢上升，然后上升速度越来越快；当 Xb 小于 1 时，输出值 Y 先快速上升，然后上升速度越来越慢。在颜色处理中，这可以实现“缓进”“缓出”的效果。

7. Lerp 节点（混合）

Lerp 节点是美术中应用最多的混合功能。严格来说，由于有三个输入变量 Xa、Xb、Xc（Alpha）和一个输出变量，不存在传统意义上的曲线图。在配图中，Xb 被设定为定量 1，当 Xc 的值为 0.5 时，表示 Xa 和 Xb 各取一半。以颜色为例，如果 Xb 为纯白色，Xc（Alpha）为 0.5，当 Xa 为 0 时，输出值 Y 为 0.5。抽象地说，Xc（Alpha）的值越大，最终值 Y 越趋向于 Xb；Xc（Alpha）的值越小，最终值 Y 越趋向于 Xa。该节点常用于贴图的混合。

8. HeightLerp 曲线

HeightLerp 曲线与 Lerp 曲线相似，但 Lerp 曲线的 Alpha 是线性的，而 HeightLerp 曲线中的 Alpha 会受到高度图曲线的影响（配图中使用 sin 曲线模拟了一张高度图）。由于缺乏实际使用经验，暂不做过多评论。推测该曲线可用于高度图来控制地形中的材质分布，例如在山地中，海拔越高积雪越多，海拔下降一些则会长出一些草，但总体上积雪仍会逐渐增多。

9. Clamp 节点（输出曲线）

Clamp 节点是常用节点，有两个输入值 Xa 和 Xb，用于限定输出值 Y 的范围，使其不小于 Xa 且不大于 Xb，在这个中间范围内的输出值都是允许的。

10. Sin 节点（sin 曲线）

根据高中数学知识，sin 曲线的循环区间为 1，输出范围为 -1 到 1。

11. Cosine 节点（cosine 曲线）

同样基于高中数学知识，cosine 曲线的循环区间为 1，输出范围为 -1 到 1。与 sin 曲线不同的是，cosine 曲线从输出值为 1 开始循环。

12. OneMinus 节点（反转曲线）

OneMinus 节点属于固定的图形函数功能，是常用节点，常用于对 0 到 1 区间（颜色范围）的数据进行反向处理，其应用基于颜色使用的基础之上。

13. Exponential Density 节点（指数密度曲线）

该节点属于固定的图形函数功能，输出值一定在 0 到 1 范围内。通过两个输入变量 Xa（任意值）和 Xb（只能在 0 到 1 范围内），输出一条从 1 到 0 的曲线，且该曲线在起点和终点处平滑过渡。当 Xb 值越大时，曲线变化越快。

14. Sphere Mask 节点（球形遮罩曲线）

Sphere Mask 节点属于固定的图形函数功能，通过 Xa（Radius）和 Xb（Hardness）两个值对贴图输入值 Xc 进行纯黑和纯白遮罩处理。

15. Sphere Gradient - 2D 节点（球形渐变曲线）

Sphere Gradient - 2D 节点属于固定的图形函数功能，通过 Xa（Radius）来控制贴图输入值 Xb 的渐变处理。

以上就是关于 Unreal4 中 15 种曲线的理论介绍，实际运用方面我还没有深入研究。撰写本文主要是为了加深自己的印象，以便日后能够熟练运用这些知识。对于其他灯光功能和材质选项，通过阅读文字说明通常可以理解，如果仍有疑问，可以参考官方的 Content Examples 场景，很多功能一看便知。而数学和图形功能的转化是游戏引擎从业者需要重点掌握的内容。