3/Теория и практика создания материалов и шейдеров
Роль текстур и шейдеров в формировании атмосферы и образа
В 3D-графике текстуры и шейдеры отвечают за внешний вид объектов и сцен, помогают создавать нужное настроение и атмосферу. Они определяют цвет, форму, световые эффекты и визуальные особенности поверхностей, влияя на восприятие изображения.
В проекте «Шлейф» используется комбинированный подход к работе с материалами. Базовые материалы создают реалистичное поведение поверхностей под динамическим освещением, обеспечивая стабильность и читаемость сцены. При этом стилизованные слои, основанные на анализе референсов из главы 2, добавляют уникальный художественный почерк, усиливая эмоциональное воздействие и выражение образа.
PBR материалы/Стилизованные материалы
Текстуры передают тактильность через микродетали — мелкие неровности, царапины, поры, которые normal- и roughness-карты делают видимыми даже при дальнем рассмотрении. Шейдеры управляют светом: модулируют блики, тени и отражения, определяя, как поверхность «отвечает» на Lumen. Совместно они превращают плоскую геометрию в живую, ощутимую материю. Для понимания разницы между реалистичными и стилизованными решениями приведена сравнительная таблица:
Сравнительная таблица PBR vs NPR
Такой подход помогает сохранить баланс между реалистичностью и художественной выразительностью, создавая уникальную атмосферу и образ проекта «Шлейф».
Эксперимент № 2: разбор и воспроизведение ключевых эффектов с использованием разных текстур и шейдеров
Цель эксперимента — разобрать визуальный язык трёх референсов из главы 2 и воспроизвести их ключевые эффекты — контуры, паттерны, переходы теней и цвета — в UE5. Тесты проводились на простых сферах. Все эффекты создавались гибридно: сначала текстуры в Substance Painter, затем их интеграция в процедурные шейдеры в Material Editor. Также было сравнение только процедурных и шейдеров с отрисованными текстурами.
Комиксная Эстетика (Референс: «Человек-паук: Через вселенные»)
Для создания эффекта печатной графики основой послужил Cel-Shading с жесткими переходами, реализованный в UE5 с помощью Step Function, которая преобразовывала непрерывный градиент освещенности в резко очерченную, бинарную тень.
На эту жесткую теневую основу был наложен точечный растр. Найденный в предыдущем эксперименте паттерн был использован для передачи полутонов в затененных областях. Для создания необходимой градации тона была проведена анализ вариаций плотности и частоты паттерна. Варьирование размера и частоты точек позволяло имитировать как глубокую тень (крупные, плотные точки), так и полутона (мелкие, разреженные точки).
Привязка паттерна к объекту осуществлялась в UE5 Material Editor путем условного смешивания: точечная текстура активировалась и смешивалась с цветом только в зоне, определенной жестким порогом Cel-Shading Ramp. Таким образом, паттерн становился видим исключительно в теневой части объекта объекта, имитируя технологию офсетной печати.
Контурные линии, необходимые для завершения комиксной эстетики, были реализованы через шейдер, который применял процедурный шум к параметру толщины контура. Это создавало эффект рваной, неровной линии, характерной для ручного рисунка тушью.
При тестировании данного подхода было проведено сравнение между полностью процедурным шейдером, генерирующим точки непосредственно в UE5, и текстурным подходом, где текстура была наложена и позиционирована в Sabstunce Painter. В результате анализа было выявлено критическое ограничение процедурного метода. Его контроль над локальным расположением точек и их интенсивностью на криволинейных поверхностях оказался значительно затруднён. В противоположность этому, текстурный подход, реализованный в SP, предоставлял художнику возможность точного позиционирования паттерна даже в самых сложных местах. Процедурная генерация при этом часто вызывала артефакты и мерцание точек при динамике, что приводило к заметному снижению качества стилизации. Вследствие этого, для финальной версии проекта было принято решение остановиться на более управляемом текстурном методе наложения паттернов.
Живописная Эстетика (Референс: «Энтергалактик»)
Данный стиль требовал перехода к Non-PBR (физически некорректному) подходу, основанному на имитации мазков кисти и плавных, органичных переходов тона.
Для этого в Substance Painter были созданы Base Color Map и Normal Map с использованием текстур, имитирующих мазки кисти. Карта нормалей была настроена на направленные штрихи, что приводило к появлению в UE5 анизотропных бликов, которые следовали направлению мазков и усиливали стилизованный эффект. Кроме того, карта высоты (Height Map) мазков использовалась в Vertex Shader UE5 для смещения геометрии (Displacement), придавая поверхности неровный, органичный объем.
Переходы цвета и тени реализовывались через плавный Ramp (Smooth Step), который обеспечивал органичное перетекание тонов. Этот метод исключил жесткие границы Cel-Shading, имитируя мягкое смешивание красок.
Гибридный PBR-Стиль (Референс: «Marvel Rivals»)
Этот стиль — это, по сути, комбинация: за основу берется реалистичный PBR-материал для областей света, а в тени добавляется комиксная стилизация. Для этого в Substance Painter создавались стандартные PBR-карты (Normal, Roughness) высокого разрешения, которые обеспечивали физически корректный вид поверхности на свету.
Для стилизации теней использовалась текстура штриховки (Hatching), которую нашли в первом эксперименте. Варьирование типа линий (тонкая/толстая, перекрестная) позволило добиться необходимой градации глубины тени. Самое главное — это логика смешивания, реализованная в UE5 Material Editor путем условного смешивания: штриховка включалась и смешивалась с основным цветом только при условии, что освещенность пикселя падала ниже заданного порога. Это позволило сохранить реалистичные PBR-блики на свету, а стилизацию оставить строго для теневых зон.
Таким образом, Эксперимент № 2 показал, что все три стилизованных подхода можно успешно создать только за счёт настроек шейдера материала. Было подтверждено, что лучше всего контролировать паттерны через текстуры, а не через процедурные методы. Учитывая эти результаты, а также выбор в пользу PBR-микротекстуры, плавных переходов тени и штриховки по условию, были выбраны ключевые элементы для финального объединения. Следующим шагом стало создание итогового, смешанного материала, который объединит эти лучшие техники и будет применён к тестовой 3D-модели, чтобы утвердить окончательный визуальный стиль выпускной работы.
Финальная сборка гибридного материала и тестирование в сцене «Шлейф»
После детального анализа и экспериментов был сделан вывод: для проекта требовался контролируемый гибридный стиль. Было решено использовать текстуры, нарисованные вручную (Hand-painted), в сочетании с готовым кастомным шейдером для мягкой стилизации освещения. Этот подход позволял добиться ощущения ручного рисунка при сохранении объёма 3D-графики, при этом значительно ускоряя процесс.
Была проведена ручная прорисовка основных световых и теневых эффектов прямо на карте Base Color. На ней были нарисованы фиктивные блики, тени и эмбиент, чтобы полностью контролировать внешний вид объекта. Кроме того, на отдельные слои были наложены паттерны, выбранные в Эксперименте № 1. Это обеспечило точное позиционирование паттернов на изгибах модели, что помогло избежать артефактов и мерцания, выявленных при процедурной генерации.
В Unreal Engine 5 было принято решение не писать сложный шейдер освещения с нуля. Был интегрирован готовый кастомный материал, найденный в открытом доступе. Этот материал был специально запрограммирован на Non-PBR логику и имел встроенную функцию Ramp-теней. Использование этого шейдера ускорило работу и позволило применить плавное перетекание тени (Ramp), которое было выбрано. Контурная обводка в финальном материале не использовалась, поскольку она плохо сочеталась с мягкими, перетекающими тенями.
Сначала было проведено тестирование: как выглядят нарисованные текстуры без этого кастомного материала.
Затем результат сравнили с тем, что давал кастомный шейдер. Разница оказалась существенной: Ramp-шейдер мгновенно сделал тени мягкими и стилизованными, обеспечив нужную глубину.
Финальный гибридный материал оказался стабильным и полностью управляемым. Он объединил контролируемую Hand-painted основу с эффективной Ramp-логикой, полностью соответствуя всем визуальным требованиям проекта «Шлейф».
Creating Hand-Painted Lemon Branch with Substance 3D & UE5 [Электронный ресурс] // 80 Level. — URL: https://80.lv/articles/creating-hand-painted-lemon-branch-with-substance-3d-ue5 (дата обращения: 18.11.2025).
Creating the Stylized Universe of Sony’s Spider-Man: Spider-Verse [Электронный ресурс] // Animation World Network. — URL: https://www.awn.com/animationworld/creating-stylized-universe-sonys-spider-man-spider-verse (дата обращения: 18.11.2025).
Creating a Spiderverse Shader Using Sketch & Toon [Электронный ресурс] // Eye Desyn. — URL: https://eyedesyn.com/tutorial_post/creating-a-spiderverse-shader-using-sketch-toon/ (дата обращения: 18.11.2025).
Cel Shading [Электронный ресурс] // Wikipedia. — URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Cel_shading (дата обращения: 18.11.2025).
Entergalactic (TV special) [Электронный ресурс] // Wikipedia. — URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Entergalactic_(TV_special (дата обращения: 18.11.2025).
Ultimate Guide to Mood Boards [Электронный ресурс] // Adobe Express. — URL: https://www.adobe.com/express/learn/blog/ultimate-guide-mood-boards (дата обращения: 18.11.2025).
Awesome Hand Painted Texture Tutorials [Электронный ресурс] // Reddit. — URL: https://www.reddit.com/r/Substance3D/comments/1of0hze/awesome_hand_painted_texture_tutorials/ (дата обращения: 18.11.2025).
Hardware Ray Tracing in Unreal Engine [Электронный ресурс] // Epic Games. — URL: https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/hardware-ray-tracing-in-unreal-engine (дата обращения: 18.11.2025).
History of Computer Graphics (HOCG) 1970 [Электронный ресурс] // Nielsevo. — URL: https://www.nielsevo.com/hocg/hocg_1970.htm (дата обращения: 18.11.2025).
Quick Start: Shader in Plugin [Электронный ресурс] // Unreal Engine Documentation. — URL: https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/ProgrammingAndScripting/Rendering/ShaderInPlugin/QuickStart (дата обращения: 18.11.2025).
Shading Course [Электронный ресурс] // Self Shadow. — URL: https://blog.selfshadow.com/publications/s2025-shading-course/ (дата обращения: 18.11.2025).
Toon Shading Models / Stylized Rendering Experiments [Электронный ресурс] // Unreal Engine Forums. — URL: https://forums.unrealengine.com/t/toon-shading-models-stylized-rendering-experiments/218895 (дата обращения: 18.11.2025).
Tutorial: Physically Based Cel Shading in Unreal Engine 5 [Электронный ресурс] // 80 Level. — URL: https://80.lv/articles/tutorial-physically-based-cel-shading-in-unreal-engine-5 (дата обращения: 18.11.2025).
UE5 Raytracing Guideline v5.4.pdf [Электронный ресурс] // Nvidia. — URL: https://dlss.download.nvidia.com/uebinarypackages/Documentation/UE5%2BRaytracing%2BGuideline%2Bv5.4.pdf (дата обращения: 18.11.2025).
Utah-history-analysis [Электронный ресурс]. — URL: https://www.sci.utah.edu/~nathang/utah-history/utah-history-analysis.pdf (дата обращения: 18.11.2025).
Видео-урок по Cel-Shading [Электронный ресурс]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=gssuU-FTNJA (дата обращения: 18.11.2025).
Видео-урок по 3D-графике [Электронный ресурс]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=lkHpoCveh4c (дата обращения: 18.11.2025).
Видео-урок по 3D-графике [Электронный ресурс]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=ye2tYNSihNQ (дата обращения: 18.11.2025).
Видео-урок по 3D-графике [Электронный ресурс]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=rQ0zJFgdqHE (дата обращения: 18.11.2025).
Видео-урок по созданию текстур [Электронный ресурс]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=8biEy1D30Bc (дата обращения: 18.11.2025).
Gouraud, H. Computer Display of Curved Surfaces [Электронный ресурс]. — URL: https://page.mi.fu-berlin.de/block/htw-lehre/wise2012_2013/bel_und_rend/skripte/gouraud1971.pdf (дата обращения: 18.11.2025).
GroundZer0. Breaking the Unreal Look: Implementing a Custom Cel Shading Model in Unreal Engine [Электронный ресурс] // Medium. — URL: https://medium.com/@GroundZer0/breaking-the-unreal-look-implementing-a-custom-cel-shading-model-in-unreal-engine-edf9892db110 (дата обращения: 18.11.2025).
How to Make a Mood Board [Электронный ресурс] // Reddit. — URL: https://www.reddit.com/r/IndustrialDesign/comments/1e9ti2s/how_to_make_a_mood_board/ (дата обращения: 18.11.2025).
Mastering Mood Boards in Graphic Design [Электронный ресурс] // Medium. — URL: https://medium.com/@digitalcreativedev.mj/mastering-mood-boards-in-graphic-design-58919b128923 (дата обращения: 18.11.2025).
Mood Board Examples [Электронный ресурс] // Maze. — URL: https://maze.co/blog/mood-board-examples/ (дата обращения: 18.11.2025).
Mood Board [Электронный ресурс] // Linearity. — URL: https://www.linearity.io/blog/mood-board/ (дата обращения: 18.11.2025).
-Agents of Mayhem- Physically Based Shading for a Stylized Look [Электронный ресурс] // GDC Vault. — URL: https://www.gdcvault.com/play/1024690/-Agents-of-Mayhem-Physically (дата обращения: 18.11.2025).
VOID MAIN [Электронный ресурс] // Fabb.cc. — URL: https://www.fabb.cc/publication/void-main (дата обращения: 18.11.2025).
History of Computer Graphics: University of Utah [Электронный ресурс] // Ohio State Pressbooks. — URL: https://ohiostate.pressbooks.pub/graphicshistory/chapter/4-3-university-of-utah/#footnote-116-3 (дата обращения: 18.11.2025).
История 3D-графики: от векторных линий до реалистичных рендеров [Электронный ресурс] // Skillbox Media. — URL: https://skillbox.ru/media/gamedev/istoriya-3dgrafiki-ot-vektornykh-liniy-do-realistichnykh-renderov/ (дата обращения: 18.11.2025).
Кадры из мультфильма «Человек-паук: Через вселенные» [Электронный ресурс] // Kinonews.ru. — URL: https://www.kinonews.ru/shots_95743_all/ (дата обращения: 18.11.2025).
Кадры/арты из мультсериала «Любовь, смерть и роботы» (Love, Death & Robots). — Изобразительный референс для живописной фактуры и стилизации.
Кадры из анимационного фильма «Человек-паук: Через вселенные» (Spider-Man: Into the Spider-Verse). — Изобразительный референс для паттернов, растра и штриховки.
Иллюстрация принципа контраста «Тепло/Холод» с объектом-прототипом (Собственноручно созданный материал).
Иллюстрация принципов трехточечного освещения с объектом-прототипом (Собственноручно созданный материал).
Референсные изображения для атмосферы и композиции (Офис детектива 50-х, Придорожное кафе 50-х) (Приложенные пользователем материалы).
Рендер пригорода Америки 50-х годов в живописном 3D-стиле (Собственноручно созданный материал).
Стилизованный рендер объектов (сферы и конуса) с применением Cel-Shading (Собственноручно созданный материал).
Стилизованный рендер трех сфер с PBR-материалами и розовой штриховкой в тени на фоне циклорамы (Собственноручно созданный материал).
