材质系统

UE 材质 (Material) 是用节点图描述「表面如何与光交互」的着色器生成器。它有三个正交维度：着色模型 (Shading Model) 决定光照模型（Default Lit、次表面、清漆、毛发等），混合模式 (Blend Mode) 决定与背景的合成公式（Opaque/Masked/Translucent…），参数 + 材质实例 (Material Instance) 让美术在不重编译着色器的前提下做变体。PBR 输入（Base Color/Roughness/Metallic/Specular）直接对应 RTR4 的金属度-粗糙度工作流；最大的工程坑是静态参数导致的着色器排列爆炸。

材质是什么

官方定义：材质 (Material) 定义场景中物体的表面属性，可理解为涂在网格上的「颜料」；更技术地说，它告诉渲染器表面如何与光交互——颜色、反射、凹凸、透明度等，数据来自纹理和基于节点的材质表达式 (Material Expression)，以及材质自身的属性设置。（Materials (landing)）

从图形学角度看，材质图 (Material Graph) 本质上是一个可视化的着色器生成器：节点是 HLSL 片段的可视化，Apply 时先被翻译成 HLSL 再编译成 GPU 字节码，所以「改图 = 重编译着色器」。（Essential Material Concepts、Materials (landing)）翻译管线、MaterialTemplate.ush、常量折叠与 LocalN 见材质图到 HLSL 的翻译；需要手写 HLSL 时用 Custom 材质表达式（会阻止常量折叠）。这与着色频率与材质系统的「材质模板 → 着色器变体」同一问题。材质函数 (Material Function) 把一段图打包成可复用节点，分层材质 (Layered Materials) 用于组合复杂表面；UE 5.x 另有 Substrate 材质框架作为单独主题。（Materials (landing)、Essential Material Concepts）

三个正交的选择：着色模型 × 混合模式 × 参数

flowchart LR
  G["材质图 节点网络"] --> SM["着色模型 Shading Model
光如何反射"]
  G --> BM["混合模式 Blend Mode
与背景如何合成"]
  G --> P["参数 Parameters"] --> MI["材质实例 MIC / MID"]

PBR 输入与 RTR4 理论的对应

UE 的 PBR 输入是 Base Color、Roughness、Metallic、Specular，取值都在 0–1；官方引用 Karis《Real Shading in Unreal Engine 4》、Burley（Disney）等文献。（Physically Based Materials）它们与基于物理的着色和双向反射分布函数中金属度/粗糙度工作流一一对应：

UE 输入	官方规则	理论对应
Base Color	偏振滤镜下拍到的颜色；非金属如木炭 0.02、新雪 0.81	非金属为漫反射反照率，金属为 $F_0$
Roughness	0 镜面、1 哑光；表面变化应放在粗糙度贴图	微表面法线分布宽度
Metallic	纯材质只用 0 或 1，锈蚀灰尘等混合表面才用中间值；遮罩应黑白分明	导体/电介质切换
Specular	默认 0.5 ≈ 4% 镜面反射，适用于绝大多数材质；不要为了“很漫反射”设为 0，应提高粗糙度	电介质 $F_0$ （由 IOR 决定）

官方给出的 Specular 0.5 对应约 4% 反射，正是常见电介质 $F_0=\left(\frac{n-1}{n+1}\right)^2\approx0.04$ （ $n\approx1.5$ ，公式为通识）。Cavity 贴图用法： $\text{BaseColor}=\text{Cavity}\times\text{OldBaseColor}$ ， $\text{Specular}=\text{Cavity}\times0.5$ ，用于补法线贴图里实时阴影捕捉不到的微小遮蔽。（Physically Based Materials）纹理采样本身见纹理映射管线。

着色模型 (Shading Models)

着色模型决定输入数据如何组合出最终外观。（Shading Models）

着色模型	用途 / 要点	对应理论页
Unlit	只输出自发光；本身不照亮场景，除非开启 Lumen 或 Lightmass 的自发光静态光照	Lumen 全局光照与反射
Default Lit	默认，直接+间接光照与高光	基于物理的着色
Subsurface / Preintegrated Skin / Subsurface Profile	次表面散射；预积分皮肤更便宜、精度略低；Subsurface Profile 是最高质量皮肤	实时次表面散射
Clear Coat	标准材质上覆一层透明薄膜（车漆、易拉罐），可选双法线	薄膜干涉与分层材质
Two Sided Foliage	薄表面透光（树叶）；Default Lit 叶片背面会发黑	—
Hair / Cloth / Eye	多重高光 / 绒毛层 / 虹膜控制；Eye 官方建议直接用 Digital Humans 的眼睛材质	毛发渲染、布料着色
Single Layer Water	用 Opaque 混合模式做透明水面，比半透明便宜	—
Thin Translucent	单 pass 物理正确的有色玻璃	透明渲染与 Alpha 混合
From Material Expression	逐像素在一个材质里混用多种着色模型	—

在延迟渲染下，着色模型 ID 写入 G-Buffer 供光照 pass 分支使用（通识，见 UE5 渲染架构）。

混合模式 (Blend Modes)

混合模式控制本材质（源色）如何与帧缓冲中已有颜色（目标色）合成。官方公式（Material Blend Modes）：

模式	公式	动态光照
Opaque	$C=C_s$	兼容
Masked	$C_s$ 若 OpacityMask > Clip 值，否则丢弃像素	兼容
Translucent	$C=C_s\alpha+C_d(1-\alpha)$	表中标注不兼容
Additive	$C=C_s+C_d$	不兼容
Modulate	$C=C_s\times C_d$	不兼容（贴花除外）
AlphaComposite	$C=C_s+C_d(1-\alpha_s)$ （预乘 Alpha）	—
AlphaHoldout	$C=C_d(1-\alpha_s)$	不兼容

要点：Masked 被裁掉的像素完全不绘制（因此也没有反射），但省 GPU；Clip 值不是为运行时修改设计的。Translucent 官方说明当前不支持高光反射，可用 Cubemap 叠加伪造。Additive 在亮背景上难以看清，可改用 AlphaComposite。AlphaHoldout 只能作用于其后的半透明类材质，不能打穿 Opaque。（Material Blend Modes）排序与 OIT 等通用问题见透明渲染与 Alpha 混合。

材质实例 (Material Instances)

普通材质改图要重编译（复杂材质可能要近一分钟），而参数化材质可在材质实例里改值而不重编译。实例继承父材质全部属性，但只有在父材质中声明为参数的值可改：Scalar（单浮点）、Vector（4 通道）、Texture（如 TextureSampleParameter2D、Cube）等；常量不暴露。命名惯例 M_（父）/MI_（实例）。（Material Instances）

类型	何时计算	用法
Material Instance Constant (MIC)	运行前计算一次	内容浏览器创建；车漆颜色变体等
Material Instance Dynamic (MID)	运行时可改	C++/蓝图 Create Dynamic Material Instance → Set Material；受损程度、实时换色

静态参数 (Static Parameters)（StaticSwitch、Static Component Mask）在编译期生效，被关掉的分支运行时不执行，但父材质中被实例使用到的每种静态参数组合都会编译一个新材质——这是着色器排列爆炸的主要来源，应尽量少用静态参数并控制实际使用的组合数。（Material Instances）

数据类型与 Custom / 翻译管线

材质图里流动的都是浮点：float / float2 / float3 / float4（Constant、Constant2/3/4Vector、Scalar/Vector Parameter、纹理）。Details 或节点内联写的值，一旦接到对应输入针脚就会被覆盖；Constant3Vector 可转成 Vector Parameter（实为 float4，float3 输入只用 RGB）。（Material Data Types、Essential Material Concepts）

创建材质后官方建议先设好 Material Domain / Blend Mode / Shading Model 三件套，它们决定主材质节点哪些输入可用（例如 Opaque 下 Opacity 灰掉）。（Essential Material Concepts）

手写 HLSL 与「图如何变成 CalcPixelMaterialInputs」不在本页展开：

需求	去向
查看/理解生成的 HLSL、常量折叠、`FHLSLMaterialTranslator`	材质图到 HLSL 的翻译
Custom 节点属性、函数局部输入、禁止折叠、HLSLcc 类型坑	Custom 材质表达式
跨引擎 GLSL 片元练习（BoS / LearnOpenGL）	片元着色器与 GLSL 基础
指令热度可视化	UE5 性能分析中的 Shader Complexity

实践与坑

项目中常做少量「主材质 (Master Material)」+ 大量 MIC，运行时需要改的才建 MID（每个 MID 是独立对象，注意数量；此条为通识经验）。
Metallic 用灰度过渡、Specular 当高光贴图用，都是旧工作流的常见错误。（Physically Based Materials）
材质域 (Material Domain) 决定材质的用途，有些用途（如贴花）需要渲染器做额外处理，所以非表面材质一定要设对（以下据 UE 5.7 Material Properties 页，5.8 页重定向未能抓取，Material Properties）：

材质域	用途
Surface	默认值，物体表面（金属、塑料、皮肤等）
Deferred Decal	贴花材质
Light Function	灯光函数
Volume	描述 3D 体积属性
Post Process	后处理材质（另有 Blendable Location 色调映射前/后、Blendable Priority、基于自定义深度/模板的 Stencil Test）
User Interface	UMG / Slate 界面
Virtual Texture	运行时虚拟纹理 (Runtime Virtual Texture)

使用标记 (Usage Flags)：只对 Surface 域有效，例如 Used with Skeletal Mesh / Niagara Sprites / Instanced Static Meshes / Geometry Collections。引擎为每种用途单独编译着色器版本；编辑器会自动勾选，但必须保存材质。游戏中缺少对应标记时会改用默认世界网格材质并在日志中提示。多勾标记会增加着色器编译时间和内存（如 Mesh Particles）。（Material Properties）
半透明光照模式：从最便宜的 Volumetric NonDirectional（不考虑法线，适合烟尘），到 Surface Translucency Volume（模糊但便宜，玻璃/水，只有漫反射），再到最贵的 Surface Forward Shading（逐像素计算每盏灯，支持局部光高光）。关闭深度测试会显著变慢。（Material Properties）
Max World Position Offset Displacement：限制 WPO 的最大位移，并把包围盒外扩相同距离，防止裁剪和跳变；对按簇在 GPU 上剔除的 Nanite 尤其重要。代价是位移被夹住的地方会显得压扁，动画可能卡顿；可用 Out of Bounds Pixels 显示标记检查。（Material Properties）
粒子材质见 Niagara 粒子系统；PCG 的图实例机制与材质实例类似，见 PCG 程序化内容生成框架。