【UE】材质与半透明 - 01. 基于Masked遮罩的抖动半透明 DitherMask

在深入探讨真正的半透明渲染之前，我们有必要先了解一种在游戏引擎中极度高效的"伪半透明"方案：DitherMask 抖动半透明 （在 Unreal Engine 等引擎中也被称为 Dithered Opacity）。

一、为什么 Masked 能实现半透明？

这种利用不透明材质制造"透明错觉"的魔术，在日常生活中随处可见。例如：地铁的孔洞玻璃广告、家用的纱窗、纱帘等。之所以在工业和建筑中广泛应用，是因为不透明材料的物理稳定性通常远高于半透明材料。

在计算机图形学中，我们同样可以利用这个原理。通过控制像素级孔洞的密度，就能模拟出不同的光线透过率，从而在宏观上呈现出半透明的效果。

通过精确控制"网格孔洞"的大小与空间分布，即可完美模拟半透明的视觉变化：

二、什么是"抖动（Dithering）"？

如果我们在微观（像素尺度）上观察这种渐变过渡，会发现它呈现出明显的颗粒感 与断层：

为了消除这种规律性网格带来的死板感，在 Shader 的实际应用中，我们通常会引入 随机噪声Noise 来打乱孔洞的排列顺序：

核心思路 ：通过抖动（Dithering）技术在屏幕空间创建时序随机孔洞 ，并配合 TAA（时序抗锯齿） 或 TSR（超分辨率时序抗锯齿） 等时序复用，在时间上将这些孔洞累积融合，形成丝滑的透明视觉错觉。

三、何时应该使用 Masked 抖动半透明？

在现代游戏开发中，任何需要使用半透明的场景，都应该首先尝试能否用 DitherMask 替代。

甚至可以在水上使用，用非透明材质实现水面透明：

尤其是当物体本身的物理结构就带有颗粒、微孔特征时，DitherMask 是不二之选。例如：水花、气泡、烟雾、纱网、植被叶片等。

下图一些效果都是用DitherMask制作。观察其优势：反射、深度、光照、阴影、排序的正确响应：

关闭抖动累积，可以看到噪点颗粒特征：

完整的光线和阴影支持：

标准的延迟渲染流程：

四、优缺点全面剖析

由于 DitherMask 在底层管线中本质上仍然属于不透明（Opaque/Masked）材质，它完美避开了传统半透明材质的诸多问题。

优点 👍

完美的延迟渲染支持（光照与阴影）
传统的半透明材质无法直接写入深度，通常需要在前向渲染（Forward Pass）阶段单独处理光照，这会带来极大的性能开销。而 DitherMask 可以完美享受延迟管线的所有红利，并能正确投射和接收阴影。
无渲染排序（Sorting）问题
半透明最头疼的就是从后到前的排序问题（Alpha Sorting）。一旦对象互相交错，极易出现穿插错误。
无过度绘制（Overdraw）压力
半透明渲染会引发严重的 Overdraw，即同一个像素点因为多层透明物重叠而被反复绘制和混合。DitherMask 属于"非黑即白"的二值遮罩，像素要么通过要么裁剪，不会产生像素混合层叠的开销。
原生支持 Nanite 虚拟几何体
若想开启 Nanite，模型必须 不包含半透明 材质。使用 DitherMask 方案，你无需为了做一块玻璃而把整个建筑模型拆得七零八落，可以直接对整体模型启用 Nanite，同时还能保证内外玻璃的渲染顺序完全正确。

Nanite 车辆案例观察 ：

可以看到即使在极其复杂的车辆内饰与双层玻璃结构下，使用 DitherMask 依然不会出现任何排序穿插错误。

缺点与不足 👎

DitherMask由于其"非黑即白"的底层逻辑，它也存在无法克服的物理局限：

无法完全避免的噪点与颗粒感（依赖时序抗锯齿）
受限于显示器分辨率，"孔洞"最小的单位就是像素。如果关闭时序抗锯齿（TAA/TSR），材质会暴露明显的"噪点"或"铁丝网感"，不够细腻平滑。

为了让模型有完整的光照支持，以及避免半透明性能劣势，很多游戏根本不在乎颗粒感，直接无视。

甚至艺术设计其噪点样式，将其作为风格：

无法实现真正的折射
折射需要依赖物体表面的法线方向对背景屏幕纹理（SceneColor）进行偏移采样。DitherMask 只是在决定像素"显不显示"，无法做到让像素背后的光线发生物理偏转。因此，高精度玻璃、光学透镜等必须依赖真正的半透明管线或复杂的屏幕空间折射算法。
无法进行颜色叠加
标准的半透明是通过 Alpha 值对源颜色和目标背景色进行加权混合（例如：白光穿过红玻璃再穿过绿玻璃，由于波长过滤会产生特定的色彩杂糅）。
但 DitherMask 不走渲染管线的混合阶段（Blending Stage），它只有 0 和 1 的遮罩逻辑。它所谓的透明度只是空间分布上的"疏密程度"，因此无法实现精确的逐像素多层色彩滤光叠加。

抗锯齿优化对比 ：

在没有特写微观观察的情况下，开启 TAA 或 TSR 可以非常完美地模糊并平滑这些噪点，达到以假乱真的效果。

无论是《黑客帝国：觉醒》Demo 中的高精度车窗玻璃，还是复杂的环境渲染，DitherMask 配合当时的最强时序抗锯齿，都交出了兼顾画面与性能的完美答卷。

五、几种实现方式

在了解了原理后，我们来看看在引擎中具体如何实现。

首先，我们需要构建一个基础的透明度逻辑（这与传统半透明材质的 Alpha 制作完全一致，将你原本用于透明的输出用于它）。

这里我们使用一个简单的菲涅尔节点作为透明度（Opacity）的输入源进行演示：

在 Masked 模式下，我们将该不透明度信号输入到材质的 Opacity Mask 端口。

1. 启用颤动不透明蒙版

这是引擎原生的扩展。一般情况下，勾选这个选项，并将原本连入不透明度的输出，连入不透明模板即可：

如果可以，首先使用它来实现。

虽然这个原生的复选框用起来非常方便。但某些情况下不允许勾选这个选项、或者这个选项不适用或者失效。

尤其是遇到 下面这个原因 ，更需要我们手动实现它。

我们首先看看当前版本勾选后发生了什么呢：

HLSL 复制代码

##if MATERIALBLENDING_MASKED
float GetDitheredMaterialMask(FPixelMaterialInputs PixelMaterialInputs, uint2 SvPosition, uint FrameIndex)
{
	#if MATERIAL_DITHER_OPACITY_MASK
	    // New dithering based on Blue noise
		// 注：使用屏幕空间坐标和帧索引，执行 **ViewScalarBlueNoise** 函数获取蓝噪声
		float Noise2  = ViewScalarBlueNoise(SvPosition.xy, FrameIndex);
		
		// This is required to get the same look and empty areas as the legacy one.
		//  注：乘以一个 0.83 的系数，可以和旧版UE的抖动效果保持视觉一致，也就是 **DitherTemporalAA**
		const float LegacyAdjustement = 0.83f; 
		float Dither = LegacyAdjustement * Noise2;

		// 将 **不透明度** 输入加上噪声，再减去0.5
		return GetMaterialMask(PixelMaterialInputs) + Dither - 0.5f;
	#else
		return GetMaterialMask(PixelMaterialInputs);
	#endif
}
#endif

根据代码，我们知道，目前使用的是ViewScalarBlueNoise，并且旧版是DitherTemporalAA。

新旧UE，会触发不同的处理方式。

那么接下来，分别介绍这两种实现方式。供读者自由选择。

2. DitherTemporalAA（时序抗锯齿抖动）

按照时间顺序，首先来看 UE4 早期、也是官方文档中演示的实现方式：

2.1 算法：5级静态网格 + 64x64随机噪点

查看 DitherTemporalAA 的算法，你会发现它为了追求极致的性能，并没有在全屏范围内去计算高精度的连续随机噪点，而是通过极低的算力开销，在屏幕空间创造出 5 个固定挡位（阶梯） 的静态棋盘格交错网格：

如果仅靠这 5 个阶梯网格，画面的透明度过渡就会像低色深的漫画网点一样，出现极为严重的色彩断层 。

因此，官方在算法底层引入了一张内置的 64x64 随机噪点图，利用它去抖动这 5 个阶梯的边界，尝试将断层模糊化。

	+

2.2 实际表现与局限性

由于这种快速算法本身的数学特性，在实际渲染时，宏观上会暴露非常明显的特征斜纹。

如上图所示，当应用于材质上时，过渡阶梯依然明显。

关闭时序抗锯齿，这种低频的网格感和粗糙的斜纹会非常明显。

3. Blue Noise（蓝噪声抖动）

现代 Shader 越来越倾向于使用**蓝噪声（Blue Noise）**作为抖动源。蓝噪声在频域上的特性是"抑制低频、保留高频"，在视觉上表现为颗粒分布极度均匀，几乎没有任何规律性的条纹或聚集色块：

3.1 为什么是蓝噪声

蓝噪声能够有效消除 DitherTemporalAA 方案中的阶梯断层与斜纹，换取更加平滑、连续的渐变过渡。

更为重要的是，这些优势使他成为目前主流的噪声选择，这与目前 渲染管线有一致性，这种一致性会带来优势：

与Lumen和光线追踪契合
Lumen和实时光线追踪在进行蒙特卡洛采样时，底层大量依赖蓝噪声 来进行半随机采样。
通过抖动将噪点转化为高频的颗粒，从而极其便于接下来的时序 降噪器 进行收敛和滤波。
与 TSR 时序抗锯齿契合
UE5 的超分辨率时序抗锯齿技术（TSR ），其底层的时序历史复用与采样权重算法，同样是围绕高频蓝噪声的数学分布进行深度优化的。

这样噪点在频率上就能与引擎的降噪器、TSR 保持 原生同步 。

借由抖动和时序降噪在多帧之间的复用，可以弥补蓝噪声产生的颗粒感。

3.2 ScalarBlueNoise （TSR更新）

ScalarBlueNoise函数是随 TSR 一起更新出现的，直接和TSR时序绑定抖动，噪点同步变化。

3.2.1 算法

从之前展示的代码可以看到，它的计算是：
Opacity Mask=Opacity+ScalarBlueNoise−0.5\text{Opacity Mask} = \text{Opacity} + \text{ScalarBlueNoise} - 0.5Opacity Mask=Opacity+ScalarBlueNoise−0.5

3.2.2 屎山系数

但只是这样还不够，代码注释提到了0.83 作为对齐旧版视觉的校正系数存在。

那是什么？

依据引擎底层 HLSL 源码的映射算法：

Opacity Mask=Opacity+(0.83×ScalarBlueNoise)−0.5\text{Opacity Mask} = \text{Opacity} + (0.83 \times \text{ScalarBlueNoise}) - 0.5Opacity Mask=Opacity+(0.83×ScalarBlueNoise)−0.5

回头看看DitherTemporalAA的这里：