UE4 Material 101学习笔记——19-22 程序化噪声的使用（Noise节点）

Posted 2022-12-10 清清！

UE4 Material 101学习笔记——19-22 程序化噪声的使用（Noise节点）

• Lec19 程序化噪声 Procedural Noise
• • 19.1 What is it?
  • 19.2 Optimized for Real-Time
  • 19.3 Back to Unreal
• Lec20 枯木积雪着色器 Snowy Tree Trunk Shader
• Lec21 层积岩着色器 Rock Layer Shader
• Lec22 与世界坐标对齐 World-Aligned Shader

本系列学习资料来源，Ben Cloward的油管空间，B站的搬运翻译

Lec19 程序化噪声 Procedural Noise

之后几节是一个新的系列，有关perlin噪点或者说程序化噪点
的使用

19.1 What is it?

• Peilin噪声是一种用来生成随机图案的很好的算法，图上就是一个算法生成的结果
• 这是一个无限的非重复图案，图上展示的只是一小部分。
  可能会觉得这个无限大而永不重复的黑白图看起来很无聊，但是我们可以以它为基本图案进行修改。

举例来说，以此图案作为基本，进行几次缩放比例组合到一起，可以创建一个分形图案，这些组合比例中的每一个称为octave

• 右边的这个图可能会比较熟悉，像是PS中渲染云的图案，其正是Perlin噪声的应用，我们能通过各种各样的组合来创建不同的噪声纹样
  

下图只是一些例子，Peilin噪声也被广泛应用于地形的生成过程，它是程序化生成的基础
像是《我的世界》,《无人深空》等等很多游戏，也会使用类似Perlin噪声的其他噪声，去产生整个世界。

Perlin噪声也被广泛接受于特效，3d软件的渲染器中。
正是为此这个噪声的发明者Ken Perlin在1997年获得了奥斯卡奖，以表彰他对电影行业的贡献

19.2 Optimized for Real-Time

下图就是生成基本的Perlin噪声的核心代码公式，此代码也出现在《GPU Gems》这本书中
这是专门为了在现代显卡上能快速运行而编写的，也就是说这是优化的版本
接下里不再看这个代码
因为在学习过程中，我们希望简洁性，能一看到它进行阅读就能了解它在做什么，直接看代码显然不太容易理解
放这个代码图只是对算法的复杂性有个基本的印象

当上面这些代码被shader编译的时候，大约会变成61个像素着色器的指令和8个纹理样本，这是核心的基本Perlin噪声图
用的时候，通常循环3~8次来获得所需要的图案作为mask（8次的话，就有488个指令和64个纹理样本）
这么多消耗显然不行，我们需要找到一个更高效的方法

一种解决办法是在三维空间创建出体积纹理，把61条指令和8个纹理样本变成一个纹理样本
这确实会让消耗变少，但是体积较大，并且有一些缺点
要是这种体积纹理工作，我们要让它在三个维度上平铺，有点难办，并且平铺纹理的话，就不是无限不重复了
但是我们可以挑选彼此不对齐的纹理来隐藏平铺的效果

19.3 Back to Unreal

回到虚幻中，其自带了这个噪声节点
如果选择3d纹理那一项，我们就是对Peilin噪声的体积纹理进行采样，而不是做代码中的各种数学运算

什么也不做，只是把这个节点连到BaseColor中，得到一个很多细节的噪声图

我们选择世界位置作为noise的种子，所以加入位置信息，并且调整大小

我们来看看noise节点的设置

• 这里有很多可以选择的公式
  
  
  
  
  
  
• 我们经常会选择3d纹理的形式，这样比较节约
  
  我们了解了噪声，我们怎么用它呢？这正是我们之后要做的

Lec20 枯木积雪着色器 Snowy Tree Trunk Shader

原视频地址，内有本节要用的贴图链接
在本节会介绍程序噪声的第一个小例子，一个白雪皑皑的树干
回顾上节，我们所用的3d的噪声，似乎并未给出什么是3d的含义，其实看下面的图和动图就了解了

• 我们使用了位置信息加上三维或者立体的噪声，让噪声存在与世界空间里
  意味着如上图，移动球体时噪声会移动
  这是程序噪声很重要的一个特性，利用这一点，我们这一节要创造一个白雪皑皑的森林

通常，如果想让森林里的每棵树都有不同，那么我们需要分别创建每个树，为每个树创建独特的纹理
在现实的生产生活环境中，这么制作是不太行的，但不这么做，所有的树会长得一样
为了解决这个问题，可以使用程序化噪声生成独特外观的树

我们会用一个噪声去融合树皮和雪的纹理
这样设置的噪声用来确定哪里下雪，哪里不下雪


其实很简单，给出两个图用噪声去当mask插值就行
如果要雪都在底部，可以树干乘以Z世界空间的位置；如果要融化某一个面，可以雪乘以Y等等
这样做的好处是什么呢？看以下动图

这是一个雪的场景，我们也引用了我们的shader，当树移动时，我们可以明显看到积雪的变化
因为我们之前是用位置作为噪声的信息，这意味着每棵树在场景中都有不同的雪型，比起为每棵树绘制不同的纹理，我们使用的是程序化的方法决定雪的样子

Lec21 层积岩着色器 Rock Layer Shader

原视频地址，内有本节要用的贴图链接
这一节我们学习使用程序噪声去创造地质岩层
为什么会这么做呢？Ben Cloward阐述了理由

• 其工作中，艺术指导发现了几个现象：
  环境艺术家创造了一大堆岩石，我们要做的是把这些岩石塞在一起成为岩层
  但是真正去做的时候，这些岩石就像是一堆混乱的石头，有什么方法能够让他们看起来像是放在一起的结构，方法便是程序化噪声

这是一些岩层的图片，岩石在层与层之间融合，这也是我们要模仿的特征

下面这张地理渐变的贴图是在PS中创建的，其是一个很小的纹理，有着不同的颜色
我们会用它来模仿岩层

我们直接插入RGB看到效果
我们现在是用UV去采样图的，但是我们想要岩石无论怎么旋转都保持着岩层横向渐变的性质，所以需要把它投影到世界空间

投影到世界空间，然后加上些许噪声

以位置作为噪声的信息

我们来看看真实应用这个东西的例子会是怎么样
我们有了一个岩石的资产，在旋转组成岩石的过程中，渐变纹理仍保持一致，使其看着像是一个整体

Lec22 与世界坐标对齐 World-Aligned Shader

在这一节，我们会使用程序噪声和世界坐标对齐的纹理投影两种方法，去创建一些可以混合在一起的材质
BenCloward提及了一下制作动机

• 艺术家们制作了一些基本模块，希望能够拼在一起创造洞穴，但是看着太模块化了，接缝处过于明显，看起来就像是乐高积木的拼接
• 能不能用一个材质，在不使用UV的情况下，把这些接缝接上，创建一个可以在世界空间投射的材质

我们需要把材质投影到 前，上，侧 三平面上

纹理依然可以tilling吗？答案是肯定的
我们要做的也是创建两组tilling不同的纹理，再做世界坐标对齐，使用程序噪声去混合他们

我们简单体会一下世界坐标对齐，比如选了XY，那么只有在XY的方向上是对齐的，Z方向就拉伸了（和我们之前做雨水时，只要雨水流动从上往下流的效果很像）

简单连一连（思想就是利用3d空间的噪声作为mask）