摘要

统一UE4/5和SubstancePainter的表现效果可以辅助提升美术设计师在SP中的绘制效率，达到所见即所得的制作体验。效果统一有多个环节需要处理，本文结合Substance提供的Shader API：Shader API | Substance 3D Painter (adobe.com)，梳理自定义shader的流程。

框架

SP的Shader使用GLSL语言，且高度封装，只能编写像素着色器的一部分，类似于Unity的Surfeace Shader，好在提供了一系列的库函数和结构体。其着色入口为shade函数，例如写一个HelloWorld：

void shade(V2F inputs) 
{
  diffuseShadingOutput(vec3(1.0, 0.0, 1.0));
}

将此段函数复制粘贴到一个**.glsl**后缀的空文件中即编写完一个SP shader，随后将其导入SP并在着色器设置中启用，就能看到“美丽”的紫色了。

路径

先了解一下SP的Shader文件组织结构，所有Substance提供的Shader均存放在如下目录：

Substance Painter\resources\shelf\allegorithmic\shaders

另外还有一个目录：\Substance Painter\resources\shader-doc，存放的不是Shader本体而是着色器说明，也就是离线的Shader API文档。

此外，SP使用框架存储配置文件，导入的Shader也会被存储在当前使用的框架的根目录里，例如：D:\Document\Allegorithmic\Substance Painter\shelf\shaders

导入

SP有多种方式导入Shader文件：

• 将编写完成的Shader文件放入Shader根目录。

  • 这种方式适合项目美术设计师，每次打开SP都会自动加载，无需其他操作。
  • 每当有Shader更新都需要手动替换并重启SP。

• 将Shader文件拖入SP，并导入到当前文件。

  • 这种方式适合TA或其他人员编写调试。在编辑器中保存更改之后，右键重载即可实时更新。
  • 导入到Self展架或是导入到当前会话均无法直接重载。
  • 不对其他文件生效。

结构

以SP自带的pbr-metal-rough.glsl为例，分析各个组成部分：

库函数

首先导入了库文件。为了避免编写大量的着色器代码，Substance提供了一个小巧但实用的函数库。不过目前来说，函数库不支持自定义。

//- Import from libraries.
import lib-sss.glsl
import lib-pbr.glsl
import lib-emissive.glsl
import lib-pom.glsl
import lib-utils.glsl

• lib-alpha.glsl : 透明度相关函数

• lib-bayer.glsl : contains bayer matrix helpers

• lib-defines.glsl : 常用数学常数和渲软模式定义

• lib-emissive.glsl : 自发光特性函数

• lib-env.glsl : 环境光相关计算

• lib-normal.glsl : 法线相关计算（包括混合，生成，解压，转换等）

• lib-pbr.glsl : PBR相关计算

• lib-pbr-aniso.glsl : 各项异性的PBR计算

• lib-pom.glsl : 视差相关函数

• lib-random.glsl : 噪声计算函数

• lib-sampler.glsl : 包含各种纹理的采样器设置和采样函数

• lib-sparse.glsl 包含稀疏纹理的采样和辅助函数（也就是虚拟纹理）

• lib-sss.glsl : 次表面散射的相关计算函数

• lib-utils.glsl : 包含色彩相关的实用函数（色彩空间转换，色调映射等）

• lib-vectors.glsl : 包含当前框架的各种矢量计算函数，以及空间转换函数

Metadata

用于IRay的MDL和自定义UI的QML，使用**//😗* 作为开头标识符，同时约定使用**//-** 作为普通注释开头，例如：

//- Declare the iray mdl material to use with this shader.
//: metadata {
//:   "mdl":"mdl::alg::materials::skin_metallic_roughness::skin_metallic_roughness"
//: }

MDL

MDL是nVidia定义的材质语言，参见：Material Definition Language | NVIDIA。SP使用MDL作为IRay的材质定义。

QML

QML是Qt定义的UI语言，参见：Qt QML 5.15.8。SP使用Qt开发界面，因此可以使用QML重写Shader部分的面板。

参数定义

这部分的参数主要提供给SP的Shader面板使用，或是用于绑定纹理。SP使用虚拟纹理显示视口中可见的纹理部分。

Engine Params

SP提供了很多内置的参数，比如纹理、矩阵、摄像机位置以及相机方向等等，参见：All Engine Params - Shader API | Substance 3D Painter (adobe.com)。和Metadata部分类似，这些参数UI部分使用**//😗* 作为开头标识符，然后下一行为参数声明：

// 在lib中定义了SampleSpares的数据结构
import lib-sparse.glsl

//: param auto TEXTURE_TAG
uniform SamplerSparse uniform_tex;

//- 声明长宽比
//: param auto aspect_ratio
uniform float uniform_aspect_ratio;

Custom Params

类似Unity，SP也支持自定义的参数，同时也能定义其在SP面板上的显示行为，只不过语法略微复杂，参见：All Custom Params - Shader API | Substance 3D Painter (adobe.com)。一些常用的UI控件如下：

//- 颜色的声明
//: param custom { "default": 0, "label": "Color RGB", "widget": "color" }
uniform vec3 u_color_float3;

//- SpinBox的声明
//: param custom { "default": 0, "label": "Int spinbox" }
uniform int u_spin_int1;

//- 滑条的声明
//: param custom { "default": 0, "label": "Float4 slider", "min": 0.0, "max": 1.0, "step": 0.02 }
uniform vec4 u_slider_float4_stepped;

//- Bool 变量
//: param custom { "default": false, "label": "Boolean" }
uniform bool u_bool;

//- 自定义采样器
//: param custom { "default": "", "default_color": [1.0, 1.0, 0.0, 1.0], "label": "Texture" }
uniform sampler2D u_sampler1;

//- 枚举的声明
//: param custom {
//:   "default": -1,
//:   "label": "Combobox",
//:   "widget": "combobox",
//:   "values": {
//:     "Value -1": -1,
//:     "Value 0": 0,
//:     "Value 10": 10
//:   }
//: }
uniform int u_combobox;

渲染设置

这部分可以配置渲染状态参数，参见：All Rendering States Params - Shader API | Substance 3D Painter (adobe.com)。例如背面剔除的控制如下：

//- Cull back faces
//：state cull_face on

//- Draw front and back faces
//: state cull_face off

像素着色

完成了前置的设置之后，可以开始动手写着色部分了。SP的着色入口为：

void shade(V2F inputs);

其输入和输出为：

struct V2F 
{
  vec3 normal;
  vec3 tangent;              
  vec3 bitangent;            
  vec3 position;
  vec4 color[1];             // 顶点色 0 (color0)
  vec2 tex_coord;            // UV0
  SparseCoord sparse_coord;  // 用于虚拟纹理采样的UV
  vec2 multi_tex_coord[8];   // uv0-uv7
};
// 像素透明度，默认值: 1.0
void alphaOutput(float);
// 漫反射照明，默认值: vec3(0.0)
void diffuseShadingOutput(vec3);
// 镜面反射照明，默认值: vec3(0.0)
void specularShadingOutput(vec3);
// 像素自发光，默认值: vec3(0.0)
void emissiveColorOutput(vec3);
// 反照率值，默认值: vec3(1.0)
void albedoOutput(vec3);
// 此表面散射值，参看SSS的库函数，默认值: vec4(0.0)
void sssCoefficientsOutput(vec4);

SP中最基本的像素着色方程如下：

emissiveColor + albedo * diffuseShading + specularShading

综合

结合之前的内容，熟悉Unity的TA应该很快就能实现ToonShading了。总体来讲，SP的Shader并没有那么开放，一些特殊功能或许难以实现，但DCC软件和UE的完全一致本身也不太现实，效果接近即可。