虚幻引擎：照片级工业产品渲染的探索与实践

2023年12月11日，在2023中国汽车设计大会上，虚幻引擎中国技术客户经理纪大伟谈到，UE在渲染和材质表现上一直处于业内的领先地位，今年推出UE5.3，发布了一整套新的材质系统——Substrate。虚幻引擎的项目结合Substrate和5.3新功能，在原有的虚幻引擎高品质的实时渲染基础上再做提升。

纪大伟表示，如果想让3Dmodel和贴图渲染真实，首先需要让它跟实际场景进行结合。怎么得到最真实的3D场景？推荐比较低成本的方式——做实体扫描。虚幻引擎在欧洲一家车企选了环境，做成实体的摄影测量和3D扫描，并拍了很多HDR用来照明，用八台相机同时拍摄，能够保证在同一个场景的同一个时间、不同角度拍到更加准确的光照信息。

什么是Substrate？就是所谓物理真实的材质系统，它是UE5的下一代材质。为了能够让它有更好的扩展性，希望它能从最高的电影级的品质覆盖到移动端，也有可能会用到车机的实时渲染上，具备非常好的扩展性。什么叫SubstrateSlab？从物理的角度来说，它相当于将材质和物理模型进行合并，再对它做一个切片，所以它会计算物体表面和表面之下介质部分的光照和渲染，会影响一个材质表面的反射和粗糙度，另外它会计算更深层的材质下层的，即介质吸收光线和散射光线的效果。为了模拟真实车漆的flake效果，虚幻引擎在5.3开发了两个新feature，来达到极度真实的效果。

虚幻引擎中国技术客户经理

以下为演讲内容整理:

Substrate还原车漆真实感

2023年12月11日，在2023中国汽车设计大会上，虚幻引擎中国技术客户经理纪大伟谈到，UE在渲染和材质表现上一直处于业内的领先地位，今年推出UE5.3，发布了一整套新的材质系统——Substrate。虚幻引擎的项目结合Substrate和5.3新功能，在原有的虚幻引擎高品质的实时渲染基础上再做提升。

纪大伟表示，如果想让3Dmodel和贴图渲染真实，首先需要让它跟实际场景进行结合。怎么得到最真实的3D场景？推荐比较低成本的方式——做实体扫描。虚幻引擎在欧洲一家车企选了环境，做成实体的摄影测量和3D扫描，并拍了很多HDR用来照明，用八台相机同时拍摄，能够保证在同一个场景的同一个时间、不同角度拍到更加准确的光照信息。

什么是Substrate？就是所谓物理真实的材质系统，它是UE5的下一代材质。为了能够让它有更好的扩展性，希望它能从最高的电影级的品质覆盖到移动端，也有可能会用到车机的实时渲染上，具备非常好的扩展性。什么叫SubstrateSlab？从物理的角度来说，它相当于将材质和物理模型进行合并，再对它做一个切片，所以它会计算物体表面和表面之下介质部分的光照和渲染，会影响一个材质表面的反射和粗糙度，另外它会计算更深层的材质下层的，即介质吸收光线和散射光线的效果。为了模拟真实车漆的flake效果，虚幻引擎在5.3开发了两个新feature，来达到极度真实的效果。

图源:演讲嘉宾素材

Substrate中的介质会计算光线的漫反射和透明材质，并提供了计算半透光照的算法，能够在光线进入材质内部时准确计算出光线被材质反射多少、吸收多少，有多少产生了散热，从而得到准确的材质效果统。

与以前的材质相比，Substrate有诸多优势。首先，Substrate是以切片的方式存在，因此可以有任意多种组合，可以达到复杂、高表现力的材质效果。其次，传统的材质没有介质，只能计算表面，而Substrate有多层严格的分层架构，可以模拟更加复杂的效果。第三，当渲染需求苛刻，需要基于光线切入角度范围的颜色变化将细节表现在车漆上时，原有的材质无法做到，而Substrate可以实现。

车漆的视觉定义包括颜色和表面抛光两方面，最常见的车漆类型有Solid paints、Metallic paints、Pearlescent paints。车漆的漆面构成有多个涂层，从下至上依次叠加，我们可以通过表面计算反射，并通过更深的光线吸收和散热计算表面下的细节材质表现。

图源:演讲嘉宾素材

当车漆和光线产生作用时，光线射入表面后，一部分被反射，一小部分穿透进入介质。由于介质中的颗粒密度很大，因此当光线进入颗粒后，在内部会产生散射，从而使得车漆会呈现出较好的颜色渐变效果，不只是简单的颜色表现。在Substrate中，利用漫反射和光线吸收、SSS、厚度等多个属性，可以准确计算出物理真实车漆的3D渲染效果。

车漆效果展示

图源:演讲嘉宾素材

第二种车漆为Metallic paints，国内许多厂商正在使用Metallic paints展现汽车外观。和以前相比，MetallicPaints有金属颗粒，这些颗粒悬浮在颜色涂层的不同高度上，当有光线射入这些粉末时会产生不同的高光效果。可以通过glints的功能实现这一效果，glints控制很灵活，可以在材质中通过密度或UV进行控制。

图源:演讲嘉宾素材

第三种车漆为Tripele layer paints。我们在做这种车漆时会先对真实的车漆进行物理扫描，扫描出Sample后进行拆解，在引擎中实现。这种车漆与前两种相比更加复杂，有多层反射，会有不同的颜色过渡。当光线是掠射角时，看到的颜色较深；当光线和表面垂直时，颜色是高亮的效果，因此对比度很强烈，会产生十分丰富的颜色变化。

下图是两种不同的颜色效果呈现。左边黄漆是加强版，底漆是黄色，密度很高，中间加了一层珠光带透明的黄色效果，最上面的ClearCoat是全透明的。右边岩浆红最上层的ClearCoat是淡红色。它的纯物理Sample拆解出来后有四层，在原有第二层和第三层里加了MidCoad。在引擎中，我们不会完全按照原有物理结构实现，因此将第一层和第二层做了合并，直接在Slab C下做金属银色地漆，在Slab B中追加对光线的吸收和散射，在Slab A里对清漆进行散射，产生带有红色的清漆效果。

图源:演讲嘉宾素材

最后是珠光漆，在引擎中实现相对复杂，因为珠光漆的颜色有渐变和过渡，可以实现双色漆效果。和MetallicPaints相比，珠光漆有一些在颜色涂层里添加了陶瓷颗粒，会产生类似珍珠粉一样的高光效果，从不同角度看，珠光漆在掠射角颜色更深，略微泛黄，当光线和表面垂直时接近白色。我们在引擎中通过一些技术实现光线渐变的属性，它会对光线的反映产生两种作用。一是当观察角度不同时，颜色会产生变化；二是当光线射入角度不同时，颜色也会产生变化，Slab在编辑时可以通过曲线实现丰富的渐变效果。后续我们同样会曝露一些参数，方便调整更多效果。