3/Теория и практика создания материалов и шейдеров

В 3D-графике текстуры и шейдеры отвечают за внешний вид объектов и сцен, помогают создавать нужное настроение и атмосферу. Они определяют цвет, форму, световые эффекты и визуальные особенности поверхностей, влияя на восприятие изображения.

В проекте «Шлейф» используется комбинированный подход к работе с материалами. Базовые материалы создают реалистичное поведение поверхностей под динамическим освещением, обеспечивая стабильность и читаемость сцены. При этом стилизованные слои, основанные на анализе референсов из главы 2, добавляют уникальный художественный почерк, усиливая эмоциональное воздействие и выражение образа.

Текстуры передают тактильность через микродетали — мелкие неровности, царапины, поры, которые normal- и roughness-карты делают видимыми даже при дальнем рассмотрении. Шейдеры управляют светом: модулируют блики, тени и отражения, определяя, как поверхность «отвечает» на Lumen. Совместно они превращают плоскую геометрию в живую, ощутимую материю. Для понимания разницы между реалистичными и стилизованными решениями приведена сравнительная таблица:

Такой подход помогает сохранить баланс между реалистичностью и художественной выразительностью, создавая уникальную атмосферу и образ проекта «Шлейф».

Цель эксперимента — разобрать визуальный язык трёх референсов из главы 2 и воспроизвести их ключевые эффекты — контуры, паттерны, переходы теней и цвета — в UE5. Тесты проводились на простых сферах. Все эффекты создавались гибридно: сначала текстуры в Substance Painter, затем их интеграция в процедурные шейдеры в Material Editor. Также было сравнение только процедурных и шейдеров с отрисованными текстурами.

Для создания эффекта печатной графики основой послужил Cel-Shading с жесткими переходами, реализованный в UE5 с помощью Step Function, которая преобразовывала непрерывный градиент освещенности в резко очерченную, бинарную тень.

На эту жесткую теневую основу был наложен точечный растр. Найденный в предыдущем эксперименте паттерн был использован для передачи полутонов в затененных областях. Для создания необходимой градации тона была проведена анализ вариаций плотности и частоты паттерна. Варьирование размера и частоты точек позволяло имитировать как глубокую тень (крупные, плотные точки), так и полутона (мелкие, разреженные точки).

Привязка паттерна к объекту осуществлялась в UE5 Material Editor путем условного смешивания: точечная текстура активировалась и смешивалась с цветом только в зоне, определенной жестким порогом Cel-Shading Ramp. Таким образом, паттерн становился видим исключительно в теневой части объекта объекта, имитируя технологию офсетной печати.

Контурные линии, необходимые для завершения комиксной эстетики, были реализованы через шейдер, который применял процедурный шум к параметру толщины контура. Это создавало эффект рваной, неровной линии, характерной для ручного рисунка тушью.

При тестировании данного подхода было проведено сравнение между полностью процедурным шейдером, генерирующим точки непосредственно в UE5, и текстурным подходом, где текстура была наложена и позиционирована в Sabstunce Painter. В результате анализа было выявлено критическое ограничение процедурного метода. Его контроль над локальным расположением точек и их интенсивностью на криволинейных поверхностях оказался значительно затруднён. В противоположность этому, текстурный подход, реализованный в SP, предоставлял художнику возможность точного позиционирования паттерна даже в самых сложных местах. Процедурная генерация при этом часто вызывала артефакты и мерцание точек при динамике, что приводило к заметному снижению качества стилизации. Вследствие этого, для финальной версии проекта было принято решение остановиться на более управляемом текстурном методе наложения паттернов.

Данный стиль требовал перехода к Non-PBR (физически некорректному) подходу, основанному на имитации мазков кисти и плавных, органичных переходов тона.

Для этого в Substance Painter были созданы Base Color Map и Normal Map с использованием текстур, имитирующих мазки кисти. Карта нормалей была настроена на направленные штрихи, что приводило к появлению в UE5 анизотропных бликов, которые следовали направлению мазков и усиливали стилизованный эффект. Кроме того, карта высоты (Height Map) мазков использовалась в Vertex Shader UE5 для смещения геометрии (Displacement), придавая поверхности неровный, органичный объем.

Переходы цвета и тени реализовывались через плавный Ramp (Smooth Step), который обеспечивал органичное перетекание тонов. Этот метод исключил жесткие границы Cel-Shading, имитируя мягкое смешивание красок.

Этот стиль — это, по сути, комбинация: за основу берется реалистичный PBR-материал для областей света, а в тени добавляется комиксная стилизация. Для этого в Substance Painter создавались стандартные PBR-карты (Normal, Roughness) высокого разрешения, которые обеспечивали физически корректный вид поверхности на свету.

Для стилизации теней использовалась текстура штриховки (Hatching), которую нашли в первом эксперименте. Варьирование типа линий (тонкая/толстая, перекрестная) позволило добиться необходимой градации глубины тени. Самое главное — это логика смешивания, реализованная в UE5 Material Editor путем условного смешивания: штриховка включалась и смешивалась с основным цветом только при условии, что освещенность пикселя падала ниже заданного порога. Это позволило сохранить реалистичные PBR-блики на свету, а стилизацию оставить строго для теневых зон.

Таким образом, Эксперимент № 2 показал, что все три стилизованных подхода можно успешно создать только за счёт настроек шейдера материала. Было подтверждено, что лучше всего контролировать паттерны через текстуры, а не через процедурные методы. Учитывая эти результаты, а также выбор в пользу PBR-микротекстуры, плавных переходов тени и штриховки по условию, были выбраны ключевые элементы для финального объединения. Следующим шагом стало создание итогового, смешанного материала, который объединит эти лучшие техники и будет применён к тестовой 3D-модели, чтобы утвердить окончательный визуальный стиль выпускной работы.

После детального анализа и экспериментов был сделан вывод: для проекта требовался контролируемый гибридный стиль. Было решено использовать текстуры, нарисованные вручную (Hand-painted), в сочетании с готовым кастомным шейдером для мягкой стилизации освещения. Этот подход позволял добиться ощущения ручного рисунка при сохранении объёма 3D-графики, при этом значительно ускоряя процесс.

Была проведена ручная прорисовка основных световых и теневых эффектов прямо на карте Base Color. На ней были нарисованы фиктивные блики, тени и эмбиент, чтобы полностью контролировать внешний вид объекта. Кроме того, на отдельные слои были наложены паттерны, выбранные в Эксперименте № 1. Это обеспечило точное позиционирование паттернов на изгибах модели, что помогло избежать артефактов и мерцания, выявленных при процедурной генерации.

В Unreal Engine 5 было принято решение не писать сложный шейдер освещения с нуля. Был интегрирован готовый кастомный материал, найденный в открытом доступе. Этот материал был специально запрограммирован на Non-PBR логику и имел встроенную функцию Ramp-теней. Использование этого шейдера ускорило работу и позволило применить плавное перетекание тени (Ramp), которое было выбрано. Контурная обводка в финальном материале не использовалась, поскольку она плохо сочеталась с мягкими, перетекающими тенями.

Сначала было проведено тестирование: как выглядят нарисованные текстуры без этого кастомного материала.

Затем результат сравнили с тем, что давал кастомный шейдер. Разница оказалась существенной: Ramp-шейдер мгновенно сделал тени мягкими и стилизованными, обеспечив нужную глубину.

Финальный гибридный материал оказался стабильным и полностью управляемым. Он объединил контролируемую Hand-painted основу с эффективной Ramp-логикой, полностью соответствуя всем визуальным требованиям проекта «Шлейф».