着色频率与材质系统

实现着色时要按"计算频率"划分工作：整个 draw call 不变的放到应用端作为 uniform，其余放在相应的可编程阶段。实践中大多数着色在像素级完成，顶点着色器负责变换和变形。材质系统把面向美术的材质与底层着色器组织起来，处理海量着色器变体的组合问题。

计算频率

按更新频率给 uniform 分组既提高应用效率，也减少常量更新、提升 GPU 性能。

为什么逐像素

• 书中用三种顶点密度的模型对比：极密的龙模型两者差别很小；茶壶上逐顶点出现棱角状高光；两个三角形的平面上逐顶点明显错误。原因是高光等项在表面上非线性变化，而顶点着色器结果在三角形上是线性插值的。（旧文献分别称逐顶点、逐像素为 Gouraud 着色和 Phong 着色。）
• 只把高光放像素、其余放顶点理论上省一点，但实践中重复计算和额外 varying 的开销往往抵消收益。
• 越来越多着色计算用计算着色器实现（第 20 章）。

插值的细节

• 单位法线线性插值后长度小于 1，像素着色器里要重新归一化；顶点间法线长度差异大（如顶点混合的副作用）会让插值方向偏向长的一侧，所以通常插值前后都归一化。
• 指向特定位置的向量（视线、精确光源方向）通常不插值，而是插值表面位置后在像素着色器里相减得到。若必须插值这些向量，插值前不要归一化，否则方向错误。
• 光照所用坐标系（世界空间、相机空间，偶尔模型空间）由整个渲染系统统一决定：光源极多时用世界空间避免变换光源位置；相机空间便于优化与视线相关的运算并可能提高精度。
• 平面着色 (flat shading) 作为风格选择（如《Kentucky Route Zero》）：把图元属性放在第一个顶点并关闭插值即可，通常在顶点着色器中实现。

实现示例要点

书中的 WebGL 2 示例：像素着色器循环遍历所有点光源（动态分支，简单场景可行，但不适合大量光源——见第 20 章）；光源数组放在 uniform block 中并按 std140 布局（用 vec4 对齐）；应用端在编译前把 MAXLIGHTS 替换为实际值；$f_{\text{unlit}}$ 和暖色在应用端算好作为 uniform 传入；clamp 到 [0,1]（HLSL 的 saturate）在多数 GPU 上几乎免费。

材质系统

• 着色器是 GPU 可编程阶段的程序，是底层 API 资源；材质是面向美术的表面外观封装。两者不是一一对应：同一材质在不同渲染情况下可能用不同着色器，一个着色器也可被多个材质共享。
• 常见形式：材质模板（一类材质及其参数）+ 材质实例（模板 + 一组参数值）；虚幻引擎支持多层级的模板继承。
• 参数可在运行时（uniform）或编译时（替换源代码）解析；常见的编译期参数是开关某个材质特性的布尔量，可由美术勾选，或由系统自动设置（例如远处物体关闭效果不明显的特性）。
• 材质参数可以经过复杂计算得到着色参数，例如地形材质根据高度和法线在高处的水平面上混入白色雪；随时间变化的霓虹灯。

需要组合的几类功能

• 表面着色与几何处理（刚体变换、顶点混合、变形、细分、实例化、裁剪）；
• 表面着色与合成操作（discard、混合；在移动 GPU 上混合通常在像素着色器里完成）；
• 着色参数的计算与着色模型本身；
• 可单独选择的材质特性；
• 着色模型与光源求值（延迟渲染会改变这种组合结构）。 GPU 着色器不支持编译后链接代码片段，所以这些组合只能在源代码层面完成，主要靠 #include、#if、#define 等预处理和字符串操作。

着色器变体：运行时分支 vs 编译期变体

• 旧硬件上动态分支不可用或极慢，所有变体（包括各类光源数量的组合）都在编译期处理。
• 现代 GPU 对动态分支处理得很好，特别是在整个 draw call 内分支一致时；光源数量等现在多在运行时处理。但功能越多寄存器用量越大、占用率越低，所以编译期变体仍有价值。
• 书中例子：三类光源中复杂的通用聚光灯不到 5%，可以编两个变体——"有至少一个通用聚光灯"和"没有"，常用的后者寄存器占用更低、更快。
• 规模：《Destiny: The Taken King》某些区域单帧使用超过 9000 个编译变体；Unity 有的着色器可能变体近 1000 亿，只编译实际用到的，并为此重新设计了编译系统。

材质系统的组织策略（通常混合使用）

其他职责

• 跨平台：Destiny 用自定义着色语言方言加预处理层自动翻译到不同平台，虚幻和 Unity 有类似系统。
• 性能：Destiny 和虚幻会自动把整个 draw call 中不变的计算移出着色器；Destiny 按更新频率（每帧、每光源、每物体）划分常量作用域以降低 API 开销。

GEA 的视角：平面、Gouraud 与逐像素；着色器变体膨胀（卷 II 12.5.1、12.5.12）

• GEA 把着色频率讲成一段历史：最早的引擎每个三角形只做一次简化光照（忽略高光、通常只有一个光源），即平面着色，现在偶尔用来刻意营造"计算机渲染"的外观；之后在顶点上算光照、在三角形内插值顶点颜色，即 Gouraud 着色，网格密时效果尚可，三角形大时线性插值的缺陷非常明显；今天的引擎多在像素着色器里逐像素应用着色方程（卷 II 12.5.1，见 着色方程与经典光照模型）。这与本页「计算频率」「为什么逐像素」一致；本页 RTR4 的平面着色例子是作为风格选择的《Kentucky Route Zero》。
• 前向渲染处理复杂多光源场景时，会出现大量不同版本的顶点和像素着色器：处理不同光源数目、不同光源类型、不同蒙皮权重数目等。GEA 把避免这种着色器变体膨胀列为延迟渲染的好处之一（卷 II 12.5.12、12.5.12.1，见 延迟着色）。本页「着色器变体：运行时分支 vs 编译期变体」从材质系统角度讨论同一问题。
• 材质库：很多游戏只需少量标准材质（木、石、金属、塑料、布、皮肤……），网格以松耦合方式引用材质库中的材质，避免在每个网格里重复材质数据（卷 II 12.9.2，见 渲染开发与 GPU 调试工具）。

PBRT 的视角：纹理与材质分离的材质接口（PBRT 4e 10.5）

• 分工：纹理描述标量或光谱在表面上的空间变化；材质在交点处求值纹理，得到参数，构造对应的 BSDF。两者解耦，可以任意组合（与 Cook 1984 的 shade tree 相似；OSL 也是"着色器返回材质描述而非颜色"的模式）。
• 静态类型的 GetBxDF()：每种材质声明自己的 BxDF 类型（如 DiffuseMaterial 返回 DiffuseBxDF），通用代码可以在栈上为具体 BxDF 分配空间，并按类型分组在 GPU 上向量化执行（第 15 章）。代价：一种材质不能根据参数返回不同类型的 BxDF。Material::GetBSDF() 通过 TaggedPointer::Dispatch 与泛型 lambda 把具体类型还原出来，用 ScratchBuffer 分配 BxDF 内存。
• TextureEvaluator：材质用 texEval(tex, ctx) 而不是 tex.Evaluate(ctx)，让波前渲染器能把"纹理轻"与"纹理重"的材质分开处理；CPU 积分器用的 UniversalTextureEvaluator 被编译器优化为零开销。
• MixMaterial：随机按 amount 选一个子材质（材质版的随机 alpha 测试，见 透明渲染与 Alpha 混合），所以 50/50 混合不是两个 BSDF 的平均。低采样率下有噪声（书中图 10.20：1 spp 明显，128 spp 无碍，通常几十个样本足够），好处是采样和求值只针对一个 BSDF。它需要在 SurfaceInteraction::GetBSDF() 中特殊处理（循环解析嵌套的 Mix），作者承认这不是好的抽象设计。
• 空材质表示两种介质之间不散射的界面，返回未设置的 BSDF。
• 色散：DielectricMaterial 的折射率是光谱纹理；只要折射率不是 ConstantSpectrum 就调用 TerminateSecondary()，只沿第一个波长追踪（反射时本可以保留全部波长，但此时还不知道会采样哪个分量）。
• 调试选项：可把所有材质替换为以 $\rho_{hd}$ 为反射率的漫反射，用于排查问题。
• BTF/SVBRDF 视角：BTF 是六维函数（空间 2 维 + 方向 4 维）；pbrt 的"纹理 + 参数化 BSDF"相当于对 BTF 做了一种固定的因式分解。测量时 BTF 不预设因式分解，所以更适合采集；神经表示见 Rainer 等 2019/2020、NeuMIP（Kuznetsov 等 2021）。

分歧：粗糙度到 $\alpha$ 的映射

pbrt-v4 的 TrowbridgeReitzDistribution::RoughnessToAlpha() 是 $\alpha=\sqrt{r}$（网页代码），材质的 remapRoughness 为真时使用；而 微表面理论 中 RTR4 记录的 Disney/Burley 约定是 $\alpha=r^2$，被大多数实时引擎采用。同一个"粗糙度 0.5"在 pbrt 中对应 $\alpha\approx0.71$，在 Disney 约定下是 $\alpha=0.25$，跨渲染器迁移材质时必须换算（$r_{\text{Disney}}=r_{\text{pbrt}}^{1/4}$）。书中只说该映射"给出相当直观的控制"，没有讨论与 Disney 约定的差异。

原书问题（第 10 章参考文献）

• 第 10 章参考文献把 Rainer 等 2020 "Unified neural encoding of BTFs"（CGF 39(2)）的第一作者写成 "Rainer, R."。同一作者在紧邻的 2019 条目中是 "Rainer, G."（Gilles Rainer），2020 论文的第一作者同样是 Gilles Rainer（Crossref，DOI 10.1111/cgf.13921，CGF 39(2), 167–178），应为 "Rainer, G."。

LearnOpenGL 的视角：Material / Light 结构体与光照贴图（Lighting / Materials · Lighting maps）

来源：Materials、Lighting maps；摘录 Lighting — Materials、Lighting — Lighting maps。

材质与灯光分量拆开

片元里用 GLSL struct Material { vec3 ambient, diffuse, specular; float shininess; } 与 struct Light { vec3 position, ambient, diffuse, specular; }。环境/漫反射材质色通常取物体色；镜面材质色控制高光色；灯光三分量可独立压暗环境、保持高光。Uniform 按 material.diffuse 这种「结构体名.成员」设置——结构体只是命名空间。

只把灯光当灰色强度时物体易过亮；把 light.ambient 降到约 0.2、diffuse 约 0.5、specular 保持 1 是教程默认手感。光色随时间 sin 变化可演示「能反射的颜色受入射光谱限制」（接 着色器中的颜色 的相乘模型）。

漫反射贴图与镜面贴图

整物体单一 vec3 材质不够：改用 sampler2D diffuse（及 specular）。环境项通常直接采样同一张漫反射贴图。sampler2D 是不透明类型，只能作为 uniform（不能当作普通函数参数随意实例化），構造含 sampler 的 struct 时尤需注意。

镜面贴图常用灰度：木纹区域近黑（无高光），金属边框近白。也可把彩色写进镜面贴图，但物理上高光色多由光源决定，观感往往不真实。练习中的 emission map 与 GEA「自发光纹理」相同：与光照条件无关的自发光（见 着色方程与经典光照模型）。

纹理单元：漫反射绑 GL_TEXTURE0、镜面绑 GL_TEXTURE1，并用 setInt("material.diffuse", 0) 等把 sampler 指到单元——细节见 着色器纹理采样、纹理映射管线。

UE5 的视角：图到 HLSL 与 Custom 的折叠代价

来源：Epic KB How the Unreal Engine Translates a Material Graph to HLSL；How the Unreal Engine Translates a Material Graph to HLSL、Custom Material Expressions。专页：材质图到 HLSL 的翻译、Custom 材质表达式、材质系统。

UE 材质图在 Apply 时由 FHLSLMaterialTranslator 填进 MaterialTemplate.ush，内置节点在翻译期做常量折叠（整次 draw call 恒定的运算收到 CPU / 均匀参数里）。这与本页「应用端 uniform vs 像素阶段」同一分层：能上提的别留给 GPU。Custom 节点把一段 HLSL 当黑盒插入，无法参与折叠，官方明确可能比等价节点图更贵——只在内置节点做不到时使用。静态参数与 Usage 标记则在编译期制造着色器排列，对应上文「变体膨胀」在 UE 中的具体旋钮。