【UE】材质与半透明 - 00.什么是半透明材质

本系列将聚焦于各种实用的透明效果案例实现，每篇文章篇幅不会很长。
但在讲案例之前，需要先补上一些重要的前置知识——透明材质是什么，UE 中“透明”到底意味着什么。

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现实中的透明是什么？

要理解引擎里的透明，我们必须先回到现实世界，看看自然界的光学现象。

如果在 UE 中，你认为这些物体的透明度是多少呢？

在日常生活中，人们会凭直觉将物质分为：不透明 半透明 透明

我们在游戏或渲染材质里也常常设定一个“透明度”参数。但要理解的是，这并不是一个严格的物理量。
在现实中，没有单一的物理量叫做“透明度”。所谓透明现象，是光与物质发生多种复杂相互作用的综合结果——涉及折射、散射、吸收、表面反射、表面粗糙度等多个因素。

现实光学中，更准确描述透光能力的量是透射率（Transmittance），即光线穿过介质后的能量比例。

图示箭头代表光线传播方向。
这是一个高度简化的模型：

• 光线在介质内可能多次散射，不一定只从背面射出
• 介质内部可能发生全反射，增加光程，引发更多吸收
• 吸收距离并非固定，取决于材质的微观结构
  这些更复杂的机制，会在讲到 SSS（次表面散射） 时详细展开。

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影响透射率的主要因素

1. 材料吸收系数
   决定光在传播过程中被材料分子吸收的程度。吸收能量会转化为热或其它形式。

2. 材料厚度
   按 Beer–Lambert 定律 ，厚度越大，透射光强呈指数衰减。

3. 散射现象
   材料内部的微结构会导致光线路径偏折，减少直射光强。例如玉石、乳白玻璃会发生强烈散射，使透过的影像模糊。

4. 表面反射
   折射率变化会造成部分光被反射。即使是优质玻璃，单个界面也会反射约 4% 的入射光（无镀膜）。

UE 中的透明是什么？

从“金属值”说起

听起来关乎透明的主题，却为什么会提到“金属值”？
没错，因为透明与金属的光学本质，其实有共通的物理来源。

考虑镀膜玻璃这个例子：

即使是透明的玻璃，表面加上极薄的金属镀膜后，其反射率会大幅提高。

这是因为金属的光学行为是极端的导体案例
材料的复折射率 $n+ik$ 中，消光系数 $k$ 在可见光范围极大，意味着光进入极浅的深度就几乎被完全衰减。绝大部分入射光直接在表面被反射，少数透过镀膜的光才进入玻璃。

金属的反射机理

根据麦克斯韦方程组，导体的自由电子响应远强于介电体的位移电流。入射光在金属自由电子中激发强烈的感应电流，其电场与入射光存在约 90° 的相位差，导致大部分能量反射。

这导致除了转化为热的部分外，大部分光被反射(这就是金属镜面反射强烈的原因)。

不同金属的吸收系数随波长变化不同，这种选择性吸收与反射造成了颜色差异：

• 金吸收蓝光，反射红黄光 → 呈金色
• 铜反射红橙，吸收蓝 → 呈红铜色

回到镀膜玻璃，即使镀层极薄，仍能部分透光，但反射率显著提升。

透明的真实本质

那么之所以先提到“金属”，就是为了引出他：

一切物体都是“透明”的

所有物体在某种意义上都是“半透明”的。

在真实世界中，物质的光学行为是连续的光谱分布，折射率、消光系数、吸收系数都会随波长平滑变化，不存在“绝对”两极分类。

当我们沿着真实物理继续探究时，会发现：“透明”才是更贴近世界本质的材质模型，反倒是我们习以为常的“不透明”，只是为了实时计算而构建的抽象化近似。

区分是否透明，是技术上的折中

“不透明”是一种典型的技术折中，既规避了多余的渲染开销，又赋予了美术更高的可控性。

这看似“倒反天罡”的结论，就是 Shader，乃至整个图形学的本质：

• 在有限算力下，实现最好的视觉

因此：

• 图形学的艺术就是魔术的艺术
• 看上去是对的就是对的

接下来的文章中，我们要牢牢记住这两条共识。在把玩“透明”的时候，我们非常需要依赖这样的思路。

透明材质

现在我们已经理解，在 UE 的材质系统中，
不同的混合模式（如 Opaque、Translucent、Masked）和着色模型，其实都是为了减少计算量而存在的技术折中。

真实透射率渲染的计算代价

但是这会有一个看似合理的疑问：
既然透射率是自然界的真实物理属性，为什么不让所有物体都按真实透射率渲染？
石头用低透射率，玻璃用高透射率，不就是更接近现实吗？

1.真实透射率渲染的计算代价

在物理正确的透明渲染中，我们至少需要处理：

1. 光线的折射与反射分配（菲涅尔方程）
2. 在介质内部的多次散射与吸收（Beer–Lambert + 相函数）
3. 厚度与体积效应（非平面材质，光程变化）
4. 透射后还要继续参与场景光照计算（光线继续传播到其它物体、再反射回来）

这意味着，每一个透明像素都可能：

• 发出多条二次射线（Refraction + Transmission）
• 多次进入材质内做体积采样
• 在屏幕空间甚至需要回溯遮挡（Scene Color / Depth 比对）

这种渲染过程的时间复杂度通常接近：
$$\mathcal{O}(n_{\text{pixels}}\times n_{\text{bounces}})$$

而如果我们假设材质材质不透明，在实时渲染中通常只有一次着色计算 $\mathcal{O}(n_{\text{pixels}})$。

2. UE 的渲染管线限制

在 UE 的实时渲染架构中：

• Opaque 材质会被提前写入深度缓冲（Z-Buffer），从而后续的像素可以快速剔除（Early-Z Pass，性能极高）。
• Translucent 材质无法参与这一优化，因为它需要依赖已经渲染的背景色（Scene Color），必须按屏幕顺序渲染，并且每个像素都要做混合（Alpha Blend），无法丢弃计算。

3. 透明材质引发的排序问题

透明材质渲染有严格的前后顺序要求：

• 如果先渲染背景，再渲染前景透明物体，混合才能正确。
• 如果物体之间互相透明，必须进行排序（Depth Sort），否则画面会出错。

这在多物体场景中会让显存和 CPU 负担显著增加。
相反，不透明物体的渲染没有这个顺序约束，批处理效率高。

4. 多层透明的指数级负担

假设场景中有 5 层彼此叠加的半透明物体（比如玻璃窗后的水杯里的冰块）：

真实透射率渲染意味着：

• 每层都要读取并混合已经渲染的颜色数据
• 每层的混合依赖前面所有层，不能并行
• 多次的采样和混合叠加消耗显存带宽

性能消耗与透明层数几乎呈指数增长。

5. 实时渲染的取舍

由于透明渲染的这些先天缺陷：

• 没有 Early-Z 优化
• 需排序处理
• 多次采样混合
• 光线追踪近似计算

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好吧你肯定没看，简单解释一下。
非透明只用渲染距离屏幕最近的一个面
而半透明，需要渲染所有的面，而且每个面的结果都依赖于更远的一个面的结果

这个排序需要对每一个像素进行多次的采样和混合叠加，非常消耗显存带宽。
如果不这样(实际算力做不到)，就会造成排序问题：

如果不是为每个像素单独排序，而是以模型三角面为准呢？
那如图所示，红色面在前，还是白色面在前？

这很难说，以目前算力就只能做到这种程度

透明乱序是个难解的问题，以后单独会讲

项目设置中的这些选项，可以改变排序计算方式（并没有真正的"像素排序"规则）

材质细节中的光照模式，确定透明模型如何收到光照影响（·向前着色·为基于像素的解法）

透明材质是如何渲染

为什么半透明材质会有单独的排序设置和光照设置？
原因很直接：在渲染管线中， 计算飞快的不透明 与 相对缓慢的半透明 是分开处理的。

渲染管线总览

首先看一下 UE 中的渲染管线流程：

1. 渲染非透明物体

假设场景中，有两个透明模型夹在两件不透明模型之间：

引擎会 优先渲染不透明物体 ，忽略半透明：

这一阶段会输出完整的 GBuffer 数据：基础颜色、法线、深度等。
有了这些数据，光照和反射几乎可以得到最终画面：

管线进度示意：
① 完成 GBuffer
② 完成光照计算
③ 完成反射
④ 得到最终画面
目前进度截至到最终画面④

2. 渲染后处理阶段

得到最终画面后，下一步才进入 PostProcessing（后处理） 阶段。
那么，透明物体在哪里被计算呢？

半透明属于后处理 - Additional阶段与Post阶段

从管线图可知，半透明渲染（Translucency）属于 附加 Additional 阶段，位于后处理 PostProcessing

Additional 阶段包括：半透明材质、体积雾等

虽然它出现在后处理之前，但本质上依赖已经完成的 GBuffer 数据，因此可以视为为一种“后处理式”渲染。
半透明①的渲染仅以附加 Additional的名义存在于后处理 PostProcessing②之前。

可以仔细的看看附加 Additional中Translucency的流程，Transparent 渲染基本上会头计算一遍半透明的光照与反射的计算

不过你可能会说，附加 Additional不是在后处理 PostProcessing②之前吗？为什么可以视为后处理？

半透明通道

实际上，我们可以在透明材质细节设置中使用半透明通道

通过这个设置，你可以让透明材质与自定义后期（Post Material）在渲染顺序上混合：

将半透明和Post完全混在一起，随意的更改透明在后处理阶段中的顺序

用一张示意图来描述的话，①和②都是相机前的一层层面片模型（面积填充相机画面）：
①为排序后的半透明，每一层就是 一个 渲染的透明模型
②为Post中的各种特效和自定义特效，泛光，景深，动态模糊等，他们也是有先后顺序的

通过半透明通道可以调整每个透明材质（自定义后期处理材质也同样设置），在后期中的先后顺序，最终可以完全混编半透明与Post，因此可以说，半透明就是后期

使用半透明材质制作的后期效果

我们理清了半透明在管线里的地位。

那么回到示例，现在我们对半透明排序，然后由远到近渲染半透明
先渲染最远的

然后由后到前逐个向前渲染，直到完成

我们怎么将其放回画面呢？
获取不透明阶段的场景深度（Scene Depth） GBuffer

与透明物体的深度相减，得到遮罩

用计算得到的遮罩，剔除被遮挡的部分的颜色

然后水灵灵的将其混合到画面，这样我们就完成了渲染

禁用深度测试

这一步，用两个深度生成模板来扣除遮挡部分的计算，叫做深度测试
默认情况下，透明材质会执行深度测试来剔除被遮挡部分：
可以勾选 Allow Custom Depth Writes 来禁用深度测试，跳过遮挡判断：

没有计算遮蔽这一步，透明物体会无视场景深度，看起来始终在最前方

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结语

好了，至此我们已经对透明材质的概念有了一个初步的认知。

接下来，我们将通过一系列实际案例与创意玩法，逐步攻克各种有关透明的需求，在实践中进一步理解和掌握它。

这将涉及图形学、光学、甚至摄影学的，在这个过程中，你会看到不同领域的知识如何交织在一起。