第5章材质系统与着色器

Haiyue2024/1/5大约 9 分钟

第5章材质系统与着色器

学习目标

理解材质和着色器节点系统
掌握 PBR（基于物理渲染）材质制作
学会纹理映射和 UV 展开
掌握程序化材质制作
理解光照模型和材质交互

知识点详解

5.1 材质系统基础

5.1.1 材质与着色器概念

材质 (Material) = 描述物体表面属性的集合
着色器 (Shader) = 计算光线与表面交互的算法

材质属性包括：

颜色 (Color)
反射率 (Reflectance)
粗糙度 (Roughness)
金属度 (Metallic)
透明度 (Transparency)
发光 (Emission)

5.1.2 Blender 材质工作流

# 材质创建流程
1. 选择物体
2. 切换到 Shading 工作区
3. 点击 "New" 创建材质
4. 使用节点编辑器编辑材质
5. 在3D视口查看效果 (Material Preview/Rendered)

5.2 着色器节点系统

5.2.1 节点编辑器界面

节点编辑器组成：

┌─────────────────────────────────────┐
│ 工具栏    标题栏    菜单栏        │
├─────────────────────────────────────┤
│                                     │
│        节点网络编辑区域            │
│                                     │
├─────────────────────────────────────┤
│ 节点库               属性面板      │
└─────────────────────────────────────┘

节点操作基础：

# 添加节点
Shift + A  # 添加节点菜单

# 节点连接
左键拖拽  # 连接输出到输入插槽

# 节点操作
X / Delete  # 删除节点
Ctrl + C/V  # 复制粘贴节点
Tab        # 编辑节点组
Ctrl + J   # 合并节点

5.2.2 核心着色器节点

原理化BSDF (Principled BSDF)：
这是最重要的着色器节点，基于迪士尼的PBR标准：

Principled BSDF 参数：
├── Base Color: 基础颜色
├── Metallic: 金属度 (0=绝缘体, 1=金属)
├── Roughness: 粗糙度 (0=镜面, 1=完全粗糙)
├── IOR: 折射率
├── Alpha: 透明度
├── Subsurface: 次表面散射
├── Specular: 镜面反射强度
├── Transmission: 透射
├── Emission: 发光
└── Normal: 法线贴图输入

其他重要着色器：

着色器类型	用途	特点
Diffuse BSDF	漫反射	理想漫反射表面
Glossy BSDF	镜面反射	金属和光滑表面
Glass BSDF	玻璃	透明折射材质
Emission	发光	自发光材质
Mix Shader	混合着色器	组合多种材质

5.3 PBR 材质制作

5.3.1 PBR 工作流程

基于物理的渲染 (PBR) 原理：

能量守恒：反射+吸收+透射 = 1
菲涅尔效应：视角影响反射强度
微表面理论：表面粗糙度影响反射

PBR 贴图类型：

PBR 标准贴图集：
├── Albedo/Diffuse: 固有色贴图
├── Normal: 法线贴图 (表面细节)
├── Roughness: 粗糙度贴图
├── Metallic: 金属度贴图  
├── AO: 环境遮蔽贴图
├── Height/Displacement: 高度贴图
└── Emission: 发光贴图

5.3.2 常见材质类型制作

金属材质：

# 黄金材质设置
Principled BSDF:
├── Base Color: RGB(1.0, 0.766, 0.336)
├── Metallic: 1.0
├── Roughness: 0.1-0.3
├── IOR: 0.47 (金的折射率)
└── Specular: 1.0

# 不锈钢材质
├── Base Color: RGB(0.672, 0.672, 0.672)  
├── Metallic: 1.0
├── Roughness: 0.2-0.5
└── IOR: 2.9

塑料材质：

# 光滑塑料
Principled BSDF:
├── Base Color: 任意颜色
├── Metallic: 0.0
├── Roughness: 0.1-0.3
├── IOR: 1.45 (典型塑料折射率)
└── Specular: 0.5

玻璃材质：

# 透明玻璃
Principled BSDF:
├── Base Color: RGB(1.0, 1.0, 1.0)
├── Metallic: 0.0
├── Roughness: 0.0
├── IOR: 1.52 (玻璃折射率)
├── Transmission: 1.0
└── Alpha: 0.0 (完全透明)

5.4 纹理映射基础

5.4.1 UV 坐标系统

UV 坐标概念：

U 轴: 水平方向 (0-1)
V 轴: 垂直方向 (0-1)

3D网格 → UV展开 → 2D纹理空间

5.4.2 纹理坐标节点

Texture Coordinate 节点输出：

Generated: 自动生成坐标
UV: UV贴图坐标  
Object: 物体坐标
Camera: 摄像机坐标
Window: 窗口坐标
Normal: 法向坐标
Reflection: 反射坐标

Mapping 节点：
用于变换纹理坐标

Mapping 参数:
├── Location: 位置偏移
├── Rotation: 旋转角度
├── Scale: 缩放比例
└── Vector Type: 向量类型
   ├── Texture: 纹理
   ├── Point: 点
   ├── Vector: 向量
   └── Normal: 法向

5.5 程序化材质制作

5.5.1 噪波纹理节点

Noise Texture 噪波纹理：

参数设置:
├── Scale: 噪波缩放
├── Detail: 细节层数  
├── Roughness: 粗糙度
├── Lacunarity: 间隙度
├── Distortion: 扭曲度
└── Dimension: 维度

输出:
├── Fac: 灰度值 (0-1)
└── Color: 彩色噪波

其他程序化纹理：

纹理类型	用途	特点
Wave Texture	波形纹理	规律的波纹图案
Voronoi Texture	泰森多边形	细胞状图案
Musgrave Texture	分形噪波	复杂地形纹理
Gradient Texture	渐变纹理	线性/径向渐变
Magic Texture	魔法纹理	迷幻图案
Brick Texture	砖块纹理	砖墙图案

5.5.2 ColorRamp 节点

ColorRamp 用于重新映射颜色值：

# ColorRamp 应用
噪波纹理 → ColorRamp → 材质参数

常用技巧:
1. 控制对比度 (调节色标位置)
2. 创建遮罩 (黑白输出)
3. 颜色分层 (多个色标)
4. 平滑过渡 (插值类型)

5.6 高级着色技术

5.6.1 分层材质

使用 Mix Shader 混合多种材质：

# 分层材质示例：生锈金属
金属层 (Principled BSDF - 金属参数)
     ↓
混合着色器 (Mix Shader)
     ↓  
锈迹层 (Principled BSDF - 绝缘体参数)

# 混合因子由纹理控制
噪波纹理 → ColorRamp → Mix Shader.Fac

5.6.2 次表面散射

模拟光线在材质内部的散射：

# 皮肤材质
Principled BSDF:
├── Subsurface: 0.1-0.5
├── Subsurface Radius: RGB(1.0, 0.2, 0.1)
├── Subsurface Color: 皮肤底色
└── Base Color: 皮肤表面色

# 蜡烛材质  
├── Subsurface: 0.3
├── Subsurface Color: 暖黄色
└── Transmission: 0.9

5.6.3 置换贴图

使用高度信息改变几何体形状：

# 置换设置流程
1. 在材质输出节点连接 Displacement
2. 图像纹理 → ColorRamp → 置换
3. 在修改器添加 Subdivision Surface
4. 启用 Adaptive Subdivision (实验性功能)

# 置换强度控制
Math 节点调节置换强度:
Height Map → Math(Multiply) → Displacement

5.7 材质优化和管理

5.7.1 材质库管理

# 材质保存和复用
1. 创建材质后点击 "Fake User" 按钮
2. File → Append/Link 导入其他文件的材质
3. 使用 Asset Browser 管理材质库
4. 创建材质节点组便于复用

# 节点组创建
1. 选择要群组的节点
2. Ctrl + G 创建节点组
3. Tab 进入节点组编辑
4. 添加输入/输出节点定义接口

5.7.2 渲染优化

# 材质渲染优化技巧
1. 合理使用纹理分辨率
   - 远景物体: 512x512 或更低
   - 近景物体: 2048x2048 或更高

2. 避免过度复杂的节点网络
   - 使用节点组简化
   - 删除未使用的节点

3. 启用GPU渲染加速
   - Cycles: CUDA/OpenCL/OptiX
   - 合理设置采样数

5.8 实战练习

练习1：木材质制作

练习目标

掌握程序化材质制作和节点组合技巧

# 程序化木材质制作
# 第一步：创建基础木纹
1. 添加 Wave Texture 节点
2. Type: Bands, Profile: Saw
3. Scale: 20, Distortion: 2

# 第二步：添加木纹变化  
4. 添加 Noise Texture
5. Scale: 5, Detail: 10
6. 连接到 Wave Texture 的 Distortion

# 第三步：颜色调节
7. Wave Texture → ColorRamp
8. 设置两个色标：浅木色和深木色
9. ColorRamp → Principled BSDF Base Color

# 第四步：表面细节
10. 复制噪波纹理用于粗糙度
11. 调节强度: Math节点 × 0.3
12. 连接到 Roughness 输入

# 第五步：法线细节
13. 添加另一个 Noise Texture (更小尺度)
14. 连接到 Normal Map 节点
15. Normal Map → Principled BSDF Normal

练习2：车漆材质

# 汽车金属漆材质
# 第一步：基础车漆
1. Principled BSDF 设置:
   - Base Color: 选择汽车颜色
   - Metallic: 0.0 (车漆是绝缘体)
   - Roughness: 0.1 (光滑)
   - IOR: 1.5

# 第二步：金属粉效果
2. 添加 Noise Texture (Scale: 1000)
3. ColorRamp 调节对比度
4. Math节点调节强度 × 0.1
5. 连接到 Metallic 输入

# 第三步：清漆层效果
6. 添加 Mix Shader
7. 第一个输入: 上面的车漆材质
8. 第二个输入: Glossy BSDF (Roughness: 0.05)
9. Factor: 0.1 (10%的清漆层)

# 第四步：环境反射增强
10. 添加 Layer Weight 节点
11. Fresnel 输出 → Mix Shader Factor
12. 增强边缘反射效果

练习3：复杂织物材质

注意事项

织物材质需要合适的UV展开
注意纤维的各向异性反射
使用次表面散射模拟光线透射

# 毛衣织物材质
# 第一步：基础织物颜色
1. 选择合适的织物固有色
2. Principled BSDF Base Color

# 第二步：织物纹理
3. 使用 Brick Texture 模拟编织纹理
4. Scale: 50, Mortar: 0.02
5. Color1/Color2 设置不同深浅

# 第三步：表面绒毛效果
6. 添加 Hair BSDF
7. Mix Shader 混合 Principled 和 Hair
8. Factor 由纹理控制 (约0.3)

# 第四步：次表面散射
9. 启用 Subsurface: 0.1
10. Subsurface Color: 略暖于 Base Color

# 第五步：法线细节
11. 使用 Noise Texture 创建细微凹凸
12. Normal Map 强度: 0.5
13. 模拟纤维表面纹理

5.9 节点快捷键和技巧

5.9.1 节点编辑快捷键

操作	快捷键	说明
添加节点	Shift + A	打开添加菜单
删除节点	X / Delete	删除选中节点
复制节点	Shift + D	复制并移动
切断连线	Ctrl + 右键拖拽	切断节点连接
预览节点	Ctrl + Shift + 左键	预览节点输出
静音节点	M	禁用节点
隐藏节点	H	隐藏选中节点
节点组	Ctrl + G	创建节点组
进入节点组	Tab	编辑节点组
搜索节点	Ctrl + A	智能添加节点

5.9.2 高效节点编辑技巧

# 快速节点连接
1. Node Wrangler 插件 (内置)
   - Ctrl + Shift + T: 添加纹理设置节点
   - Ctrl + T: 添加 Mapping + Texture Coordinate

# 节点对齐
2. 选择多个节点后:
   - Shift + = : 对齐节点

# 快速预览
3. Ctrl + Shift + 左键: 临时输出到材质输出
   方便快速查看中间节点效果

# 节点搜索添加
4. Shift + A 后直接输入节点名称
   如: "noise" 快速找到 Noise Texture

5.10 渲染引擎差异

5.10.1 Cycles vs Eevee 材质差异

Cycles (离线渲染)：

完整支持所有节点类型
物理准确的光线追踪
支持复杂的体积渲染
渲染质量高但速度较慢

Eevee (实时渲染)：

部分节点支持有限
基于栅格化的实时渲染
需要预处理 (烘焙) 某些效果
速度快但质量有所妥协

材质兼容性：

功能	Cycles	Eevee	备注
Principled BSDF	✓	✓	完全支持
体积散射	✓	部分	Eevee需开启体积
置换贴图	✓	✗	Eevee不支持
次表面散射	✓	✓	都支持
IOR折射	✓	近似	Eevee使用屏幕空间

学习建议

从基础开始：先掌握Principled BSDF的各个参数
观察现实：多观察真实材质的光影变化
实验精神：尝试不同的节点组合
参考学习：研究优秀作品的材质制作
保持整洁：使用Frame和Reroute节点整理复杂网络

通过本章学习，你应该能够：

熟练使用着色器节点系统
制作各种类型的PBR材质
理解程序化材质制作方法
掌握材质优化和管理技巧

材质制作是3D艺术的重要组成部分，需要技术知识和艺术感觉的结合。

第5章 材质系统与着色器

第5章材质系统与着色器