在 Substance 和 UE5 中设计看起来像外星人的材料
介绍
我叫 Michail Mavronas，目前是英国吉尔福德 Rogue Sun 的首席艺术家。我来自希腊的科孚岛，在过去的 12 年里我一直在游戏行业工作。我最初是一名自学成才的艺术家，正在学习音乐和声音设计课程。毕业后不久，我决定改变道路并以 3D 艺术家的身份加入游戏行业。最近，我的工作主要集中在 VR 上，有两个赛车游戏 Radial-G 和 Radial-G：Proteus。
我今天在这里谈论我在 Substance Designer 中的抽象工作，并展示了一种我们可以使用像素处理器获得有趣结果的简单方法。我们还将更进一步，使用 ZBrush 和 Unreal Engine 5 在 SD 之外渲染我们的最终实体。
进入材料创作
我第一次进入 Substance Designer 是在 2015 年左右。大约在同一时间我开始使用 UE4，这让我接触到了基于节点的材质创建的魔力。至此，SD成为制作素材和VFX不可或缺的资源。它在为着色器生成“支持”纹理（例如渐变、噪声纹理、法线贴图等）方面提供了惊人的灵活性。
真正激励我继续学习 Designer 的是艺术家Daniel Thiger的惊人作品。尤其是他在最后的演讲中取得的效果让我从一个稍微不同的角度来看待 SD。在外观开发的早期阶段，我开始从生成概念材料的角度来处理 SD。这些“概念”PBR 材料将与任何其他概念艺术一起推动艺术指导过程。
在以下来自我个人作品的示例中，我正在 Designer 中处理沙子材质。这导致了一个陌生而多彩的景观，激发了我创作我的投资组合作品黄蜂。尽管我并行设计了这艘船，但模型上的最终纹理和少数元素直接受到物质材料的美学和动态的启发。
抽象材料
作为一名艺术家，我经常从 Moebius、Enki Bilal、HR Giger 和 Katsuhiro Otomo 的作品中汲取灵感。我一直喜欢先进但陈旧的技术的美学，我想通过 Substance Designer 研究这种风格。
在此过程中，我决定更多地关注材料的整体构图和感觉，而不是对特定项目的再创造。在某些方面，您可以将结果视为具有艺术前景的研发作品。尽管这些设计的本质是抽象的，但我仍然尝试以 3D 艺术家的身份思考和工作。我正在研究构图、光照 PBR 着色，我仍在努力创建最终演示文稿。
技巧
我经常查看我在 Unreal 的材质编辑器中学到的技术，并尝试将它们应用到 Substance Designer 的像素处理器中。即使使用简单的数学运算，像素处理器实际上也可以是一个非常强大的工具。在我们的主要展示图上，我将通过自定义像素处理器节点驱动大部分生成的形状。因此，在我们深入研究主图之前，我想解释一下该技术，并举例说明我们如何实际使用它。
该技术实际上相当简单。我们本质上是通过正弦节点处理输入梯度。这实际上将强制正弦与梯度值一起绘制。然后使用 abs 节点将任何负值返回到正值，在视觉上缩小通常在正弦低于 0 时出现的间隙。在正弦之前乘以输入梯度将增加正弦频率，从本质上增加可见的“褶皱”。
对于那些对虚幻引擎方面感兴趣的人，值得注意的是，您无需乘以 Pi 即可获得相同的结果。这很可能是由于正弦节点的不同实现。
完成基本的像素处理器后，我们现在可以创建任何类型的渐变并通过节点运行它。这种技术在生成平行电缆、管道和装饰品时非常有用。在以下示例中，我使用主正弦函数和形状映射器创建了一个简单的装饰品，该装饰品可以用作设计的一部分，甚至可以导出为 ZBrush 中自定义画笔的 alpha。为了使事情更容易，我为像素处理器创建了一个新输入，然后在函数内部引用。这使我能够控制“折叠”的数量，而无需在新窗口中编辑像素处理器。
这些简单的数学函数还可以生成可以导致有趣设计的基本模式。生成的形状易于迭代，可用于壁纸、地板或纺织品，甚至可以为 HUD 和 UI 元素提供灵感。
生成初始模式
为了讨论在我更抽象的作品中使用的过程，我想为 80 Level 展示创造一些新的东西。我之前在正弦电路 示例上的研发工作可能有点过于生成，无法用作案例研究。这次我想创建一个具有更多结构的设计，所以我从设置一些基本规则开始。我决定将重点放在一些强大的总体形状上，并提供一些让人联想到外星人电影墙板的东西。这个过程首先关注一个大的中心元素，类似于凯尔特十字架作为我的基本形状。
主要形状
我通过为我的十字形状放置基本元素开始绘制图形，然后通过像素处理器运行生成的渐变。最初，这产生了一组“平面”的并行特征。为了在整体形状上获得更高的高度，我创建了一个辅助斜角并将两者混合在一起。下面的大多数形状将使用相同的技术来“挤出”表面并允许整个瓷砖的不同高度。
建立关系
在这个阶段，添加一个可以在我的主要形状之间产生关系的元素很重要。在处理抽象设计时真正有用的一件事是尽早在较大的形状之间建立关联。为了实现这一点，我复制了主要形状，然后创建了一半大小的瓷砖。这个技巧立即增加了细节并在这两个主要元素之间建立了关系。
第三步，我想添加一个元素，使整体设计具有支撑结构的感觉。所以我决定建立一个X形框架。最初，在中心“X”会合的结果看起来不太对，所以我用环打破了形状。然后通过添加一些较小的罐状元素来复制和缩放戒指。
在这个阶段，所有三个主要形状都集中在高度图中。这创造了将用于推动其余物质向前发展的核心设计。正如我们从下面的图片中看到的，我现在有不同的区域是繁忙的，而其他区域是完全空的。从这一点开始，该过程将是 100% 的“添加剂”。我将遵循形状的流动并在不同区域添加元素以创建更复杂的设计。
附加形状
正弦过程在之前的形状上运行良好，所以我决定在此基础上构建并生成以下带有圆角图案的形状。为了避免truchet tile的随机性，我使用了两个镜像节点来创建一个对称设计，以更好地匹配更大的形状。我最终制作了三种不同的 truchet 图案，然后用于填充不同的高度区域。底部间隙的高频瓷砖，中心高度的中等尺寸图案，以及最终放置在较低水平高度的较宽图案。
如果您想了解有关此技术的更多信息，请查看我的作品Xenotile-III。
外框
在这个阶段，我注意到添加一个边缘框架将有助于使事情成为焦点。在我们的案例中，它还为更大的 X 框架创建了一个支撑结构。框架实际上具有三个组成部分。一个外框、一个内框和一个角件。
最后一步是生成更多的“填充物”形状。我做了一个大圆圈来为中间部分提供一些额外的高度，一个遮罩来覆盖一些较小的间隙，以及一个放置在高度图最底部的新十字形状。
汇集一切
混合高度层
需要注意的一件事是混合形状之间的高度需要相当多的迭代。通常情况下，这些复杂的模式从一开始就会变得相当繁忙。多个管状结构在不同高度层中混合尤其具有挑战性。这就是为什么一开始我决定将平行线与相同形状的斜面结合起来的原因。斜面渐变使我可以调整不同元素相遇的高度并产生更清晰的结果。
在理想的生产环境中，最好将每个元素拆分为子图并使用新组件重建图。这不仅可以优化图形本身，而且还可以更轻松地导航和整体控制图形。
颜色
对于颜色，我想添加一些让人联想到铜的东西。我真的很想专注于设计流程，所以我决定采用基本的两种配色方案。我们有一个带有更亮磨损部分的原铜色和一个主要用于底层元素的青色基色。“铜色”还与红色 AO 通道相乘以增加一些变化。最后，我还添加了基于曲率和几个污垢蒙版生成器的污垢和高光通道。粗糙度和金属输出也使用了相同的污垢蒙版。
法线
法线主要基于高度图，并添加了一个微妙的划痕生成器。我觉得设计已经太忙了，所以避免添加更强的伤害元素。
粗糙度和金属
对于粗糙度和金属，我保持简单，并给它一个整体的尘土飞扬的外观。我将粗糙度基于基本灰度颜色并使用 Grunge Map 对其进行修改。然后，在添加之前创建的污垢蒙版之前，我添加了一个倒置的 AO 贴图来表示裂缝中的粗糙度。金属贴图是以类似但稍微简单的方式创建的。
自发光
最后，我为经典的科幻外观创建了一个发光面具。在这里，我需要根据我们的主要形状生成一系列混合节点。这对于隔离高度图底部存在的高频细节旁边的间隙是必要的。
最终图
瓦特工作室
正在招聘首席游戏设计师
渲染
我通常使用 iRay 在设计师中渲染大部分最终物质，但本着研发的精神，我们将看看使用 Nanite 在 UE5 中获得我们的最终渲染。
纹理
对于 UE5 中的主要材质，我导出了 3 个主要贴图、基色纹理、法线贴图和结合 AO、粗糙度和金属通道的 PBR 蒙版。这些以 8K 分辨率导出为 Targa 文件。在准备 ZBrush 时，我还将基色纹理和 16 位 8K 高度图导出为 PSD 文件。
基础网格
基础网格是在 Maya 中准备的。我创建了一个 2m x 1m 的曲面，在 250K 三角形处具有高细分级别。我们的纹理也在整个表面平铺两次。弯曲的几何形状将使我们在最终构图中更具创意。
刷机
然后将基础网格导入 ZBrush 并细分为大约 800 万个点。导入基础颜色和高度贴图 PSD 后，我使用 ZBrush 中的置换贴图功能挤出了网格。然后我将网格减少到 500 万个点并将其导出为 .fbx 文件。优化网格有助于加快迭代速度，并降低了 360MB 的 fbx 文件大小。
虚幻引擎 5
UE5 中的设置相当简单，我导入了网格并在导入设置中启用了 Nanite。然后我创建了一个基本的 PBR 材质并使用了 3 个实例来改变场景中的自发光值。
该关卡是通过复制纳米网格并创建隧道状结构来构建的。这里的挑战之一是场景中除了发光区域之外没有定义的光源。为了解决这个问题，我在关卡中添加了很多点光源。这帮助我实现了更多的局部照明并营造了整体氛围。然后我添加了一个体积高度雾并调整级别以适应整体构图。
对于最后一遍，我添加了一个后期处理卷。我调整了级别并添加了光晕、镜头光晕和晕影效果。最终渲染是在 4K 下完成的，使用在关卡音序器中制作动画的电影摄影机。
最终报告
挑战
有时程序模式的结果可能过于生成，并且可能需要多次迭代才能获得可用的设计。在这种情况下，我在一开始就决定了一些核心功能，从而设法避免了这种情况。
该图的主要挑战是混合多个管状层的高度。这些形状在瓷砖上是连续的，这会产生一些混合问题。在使用高度混合节点之前，我必须创建额外的蒙版并相互减去形状的区域。加法过程也会造成一定程度的复杂性，这使得在处理图形时优化有点困难。
定制物质
由于模式的所有元素都可以从单个形状节点生成，因此像这样的程序模式可以有相当多的迭代。在我们的例子中，我使用了 3 个由多开关节点控制的基本形状。更改输入选择将导致整个模式发生变化。由于 truchet 模式存在轻微限制，但通过一些调整，我们也可以改进该部分的迭代。
有用的教程
Substance Designer 一开始可能会让人望而生畏，因此考虑到一些现实生活中的参考资料总是好的。在许多方面，您可以像在 3D 包中建模一样对待它。我们可能会使用遮罩和高度图而不是顶点，但提前计划并将您的参考分解为单个元素很重要。
作为初学者，从简单的材料开始总是好的，例如有裂纹的石材地砖。这将为您很好地介绍各种节点和混合技术。之后，您可以移动到更复杂的地方，例如火车轨道或人行道。这将教您如何组合具有不同形状和材料的元素。
如果您对使用像素处理器的更高级技术感兴趣，我强烈建议您关注由极具天赋的 Andrei Zelenco 和 Marco Vitale 组织的 Facebook内部节点小组。该小组经常主持来自不同成员的令人兴奋的工作，并分享有关 Substance Designer 中更多程序化技术的有用信息和教程。
后记
我非常喜欢在这个演示文稿上工作。最激动人心的部分是在 ZBrush 和 UE5 中导入高分辨率网格的最后阶段。这让我想知道渲染简单物质瓷砖范围之外的未来可能性。能够生成和使用这种密集的程序网格也意味着我们在顶点颜色和顶点绘制方面获得了更高的分辨率。就引擎内的着色和材质生成而言，这可能会证明非常有趣。
