UE4中噪声的充分使用

UE4 推出基于材质的程序式噪声已有一段时间，但大多数用户因高昂的性能成本而限制其使用。因此，许多用户选择在其他程序中编写平铺噪声纹理，再导入 UE4 使用。很多人希望能在 UE4 中直接实现这一步骤，却找不到便捷的方法。

我们在虚幻引擎 4.13 中满足了这些需求，这些改进可分为以下几类：

1. 平铺噪声选项
2. 新增的沃罗诺伊噪声
3. 性能优化和其他改进

首先，我要感谢渲染工程师兼客座教授 Marc Olano，他与我合作解决了平铺和沃罗诺伊选项的问题。他还完成了所有性能改进和代码整理工作。许多原有的选项得到了优化，现在工具提示会描述成本。需要注意的是，尽管这些优化有很大帮助，但大部分程序式噪声形式的渲染成本仍然较高。因此，我们将介绍可以先烘焙静态纹理的平铺噪声选项。在最后一节，我们会讨论不同噪声功能的相对开销。

平铺噪声

在 4.13 版本中，将一个“噪声（Noise）”节点添加到材质中时，您会注意到节点底部有两个新选项：“平铺（Tiling）”和“重复大小（Repeat Size）”。

如果选中“平铺（Tiling）”，噪声将按指定的“重复大小（Repeat Size）”（即域）重复。若要烘焙平铺噪声，设置过程并不复杂。您需要确保重复大小与将要烘焙的取样大小一致。最简单的方法是对“位置（Position）”输入使用默认的 0 - 1 纹理坐标，然后将“比例（Scale）”和“重复大小（Repeat Size）”设置为与示例图相同的值。

我们使用默认的 0 - 1 UV 作为位置坐标，是因为可以借助渲染工程师 Daniel Wright 提供的“将材质绘制到渲染目标（Draw Material to Render Target）”这一新功能。需要说明的是，本文介绍的内容只是该功能的冰山一角。完成以下步骤后，您可以将其应用于任意数量的相关操作，请耐心阅读。

具体操作步骤如下：

1. 创建 Actor 蓝图：在内容浏览器中，单击“新增（Add New）”，然后选择“蓝图类（Blueprint Class）”。当新对话框弹出时，选择 Actor，并为该资产命名。
2. 生成渲染目标：在内容浏览器中，再次单击“新增（Add New）”，选择“材质和纹理（Materials and Textures）”，再选择“渲染目标（Render Target）”。双击新生成的渲染目标，将分辨率设置为所需大小。
3. 设置蓝图事件：打开新添加的蓝图，导航至“事件图（Event Graph）”，添加一个定制事件，命名为“Bake”，指定要烘焙的材质和创建的渲染目标。
4. 调用定制事件：导航至“构造脚本（Construction Script）”，调用定制事件 Bake。
5. 生成静态纹理：编译蓝图后，系统会将材质写入渲染目标。此时，右键单击渲染目标，选择“创建静态纹理（Create Static Texture）”并指定要创建的纹理。

沃罗诺伊噪声

沃罗诺伊噪声非常适合用于模拟翻腾的烟云、腐蚀图案以及自然界中的许多其他图案。它也被称作沃利噪声或蜂窝噪声。以下是在虚幻引擎中可以直接实现的一些基本效果：

• 从左到右依次为：
  1. 一个倍频程，幂 = 2
  2. 一个倍频程，反转 (1 - x)
  3. 三个倍频程，反转

下面是在 UE4 中纯粹用沃罗诺伊噪声生成的龟裂沙地示例：

生成步骤详解

从左到右依次为：

1. 1 倍频程的原始沃罗诺伊噪声，已反转。
2. 通过在输入位置添加少量“梯度”噪声，对沃罗诺伊噪声应用扭曲效果。
3. 使用“高通滤波纹理（High Pass Texture）”材质取样沃罗诺伊噪声，使边缘细节均衡化。
4. 使用“根据高度贴图建立法线贴图”功能生成法线贴图。

最后的沙地图像是将第 3 步中的纹理作为视差遮蔽贴图材质中的高度贴图生成的。

“高通滤波”通过新的材质功能“高通滤波纹理（High Pass Texture）”实现。边缘变化通过添加另一个梯度噪声来实现，该噪声用于改变偏移宽度。此版本的高通滤波功能需要一个纹理，因此在此时保存该纹理以便后续使用。

此外，还有一种不依赖纹理的“高通滤波功能”版本，适合偏好这种方法的用户。

要烘焙法线，只需将第 3 步的结果烘焙到渲染目标，然后使用“根据高度贴图建立法线贴图”功能，再将此材质渲染到渲染目标。

需要注意的是，只需进行少量更改，如降低高通滤波偏移量和增加高通滤波强度，就可以得到腐蚀图案纹理的变体。

下面是一个样式化的翻腾烟柱效果：该效果通过对两个作为平移纹理的简单沃罗诺伊纹理进行取样得到。系统将两个纹理相乘，然后取平方根，以保持翻腾形状的完整性。最后将其应用到铺嵌的圆柱体网格上。需要注意的是，要先将最终高度乘以全局空间法线，然后才能连接到全局位置偏移。

这里还有一个基于沃罗诺伊的大理石纹理示例：

生成大理石类纹理的方法

从左到右依次为：

1. 标准沃罗诺伊噪声，1 倍频程。
2. 在输入位置添加了“梯度”噪声（设置为 0.05）的沃罗诺伊噪声。
3. 将梯度噪声乘以 0.3 后添加到沃罗诺伊输入位置。
4. 使用第三步的结果作为来自引擎/内容的随机纹理（Texture2D'/Engine/Engine_MI_Shaders/T_Base_Tile_Specular.T_Base_Tile_Specular'）的纹理坐标。

这里使用了名为梯度贴图的技术，通过先做加法和乘法，再将结果插入纹理来控制颜色范围。您可以描绘定制纹理以获取所需颜色，也可以尝试使用任何包含您想要提取颜色的图像。

这个示例仅在输入位置添加了标量扭曲，会产生对角线条纹图案。对于大理石纹理来说，这种效果是合适的，但如果想要其他效果，可能需要对 X 和 Y 扭曲使用不同的噪声模式，或者使用法线贴图进行偏移。

关于沃罗诺伊噪声成本的说明

沃罗诺伊噪声成本较高，有四种不同的质量级别可供选择，区别在于搜索的单元数量。一般来说，质量级别数字越小，网格失真越少。需要注意的是，放置噪声节点时，默认设置为 6 倍频程，但您只会看到 1 个倍频程的指令计数：

• 1 级质量搜索 8 个单元，每个倍频程约 160 条指令。
• 2 级质量搜索 16 个单元，每个倍频程约 320 条指令。
• 3 级质量搜索 27 个单元，每个倍频程约 540 条指令。
• 4 级质量搜索 32 个单元，每个倍频程约 640 条指令。

作为对比，一个典型的材质大约有 100 条指令。一个使用 4 级质量沃罗诺伊噪声的 6 个倍频程的材质将有大约 3800 条指令，渲染成本高出约 30 倍。1 级质量沃罗诺伊噪声的 1 个倍频程只需 160 条指令，对于基本材质来说较为合理。

从左到右依次为 1 级质量、2 级质量、3 级质量、4 级质量。需要注意的是，2 级质量比其他几级暗一点，这是因为使用了两个偏移 2x2x2 的网格，点阵较为密集，乘以 2 即可解决该问题。

性能特性

为了展示使用噪声节点的实际成本，我使用全屏幕四边形，测量了每种功能使用 1 - 6 个倍频程的性能成本，并与矩形纹理取样进行了比较。对于矩形纹理取样，倍频程只是相加的附加取样。

不出所料，大部分噪声选项的渲染速度明显慢于简单的纹理查找。“快速梯度 - 3D 纹理”是最快的纹理功能，因为它已烘焙到体积纹理上，而其他“基于纹理”的选项使用 2D 噪声纹理进行随机性运算，需要更多数学运算来进行 3D 取样。因此，如果需要使用程序式噪声并保持场景快速渲染，“快速梯度”是目前的最佳选择。但要注意，如果将其应用于大面积区域或过度增加平铺值，会出现重复图案。

高质量的沃罗诺伊噪声功能成本最高，在性能受限的环境中使用时，务必将其烘焙到纹理中。

希望这些信息对您有所帮助，能让您在项目中有效地利用噪声。了解更多，请关注泰课在线资讯栏目。