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之前在业务开发里用 UE 做卡通渲染，最常见的情况是：要么去改引擎自带的 Shading Model，要么堆一堆 Custom 节点强行把光照响应掰成想要的效果。每次换一个美术风格，都要重写一遍材质逻辑，维护成本很高。后来 Substrate 架构逐步完善，我才意识到，卡通渲染这件事在材质表达层面终于有了更合理的解法。这篇内容我会围绕 UE 5.8 中 Substrate 的核心思路，拆解一个完整的卡通渲染着色器实现过程，并整理实际开发中容易踩的坑和工程化建议。如果你正在研究 Substrate，或者想在 UE 中落地二次元渲染风格，这篇文章应该能帮你省不少时间。

1. Substrate 给卡通渲染带来的变化

1.1 老方案做卡通渲染为什么难受

在 Substrate 之前，UE 的材质系统有一个非常核心的设定：一个材质只能选择一个 Shading Model。默认光照、无光照、Clear Coat、Subsurface、Toon……这些是并列的枚举选项。你选择 DefaultLit，那么整个材质的漫反射、高光、反射基本都是 PBR 物理模型在计算；你选择 Toon，又要去面对 UE 内置卡通模型不够灵活、自定义空间有限的问题。

想要做一款风格化很强的游戏，比如《原神》《崩坏：星穹铁道》那种二次元渲染效果，美术和 TA 通常会走两条路：

1. 在材质图里用 Custom 节点写一套自己的光照计算，然后把最终颜色输出到 Emissive 通道，配合 Unlit Shading Model 使用。
2. 直接改引擎的 Shading Model 源码，添加一个自定义光照模型。

第一种方案的问题在于：把漫反射、高光、阴影、边缘光全部塞进 Custom 节点后，材质实例无法很好地暴露参数。更麻烦的是，Custom 节点对平台兼容性、DX 11 / DX12 / Mobile 的支持状态各不相同，遇到有些渲染特性你就只能自己解决。第二种方案的问题是：需要维护引擎源码分支，引擎一升级，代码合并就是一场灾难。

所以长期以来，UE 的材质系统对“非物理渲染”的开发者并不友好。卡通渲染恰恰又是最不需要物理正确、最需要自定义的那一类。

1.2 Substrate 是什么

Substrate 是 UE 自 5.4 开始逐步引入的新材质系统，到了 5.8 阶段已经更加成熟。它的核心变化是：把材质从“一个 Shading Model 枚举”改成“一组可组合、可混合的 BSDF Slab”。

关于 BSDF，简单说一下：Bidirectional Scattering Distribution Function，双向散射分布函数，描述的是光线照射到表面后如何被散射。PBR 里常见的漫反射模型、高光模型，本质上都是 BSDF 的不同组成部分。

在 Substrate 的表达里，你可以把材质理解成一个节点树：

• 基础漫反射是一个 Slab。
• 高光反射是另一个 Slab。
• 次表面散射可能是第三个 Slab。
• 之后再用 Substrate Mix 之类的节点把这些 Slab 按权重混合起来。

也就是说，材质不再是“从预设模型里选一个”，而是“用 BSDF 基础模块搭一个”。这样做的好处非常明显：

• 可以做真正的材质分层，比如角色衣服的布料层和皮革层。
• 可以在材质层面对光照响应做精确控制。
• 可以结合运行时参数灵活切换不同渲染风格。

对于卡通渲染来说，这意味着你可以自己搭建一套非物理的 BRDF 响应，而不需要去动引擎源码。

1.3 Substrate 让卡通渲染的写法发生什么变化

用旧系统做卡通渲染时，整个流程是：“选择 Unlit → 在 Custom 节点里自己写全部光照 → 输出到 Emissive”。在这个流程里，你放弃了引擎的阴影、光照和反射体系，需要自己取光照方向、计算阴影、处理多光源。

而 Substrate 并不要求你放弃光照体系。相反，它允许你在自定义 BSDF 的同时，保留引擎的光照、阴影、间接光等基础设施。你可以把卡通漫反射看作一个自定义的 diffuse lobe，把卡通高光看作一个自定义的 specular lobe，两者组合成一个 Substrate 材质。这样材质就还能正常接收阴影、参与深度渲染、使用动态全局光照。

这是写法和思路上一个很大的转变：从“绕过引擎的光照模型”到“自定义光照模型的组成部分”。有了 Substrate，做风格化渲染更像是在搭积木。

2. 环境准备与版本说明

2.1 引擎与运行环境

本文的示例基于 UE 5.8 版本。为了尽可能贴近实际项目，建议使用源码版引擎，因为 Substrate 相关的开发和调试通常需要重新编译引擎或查看引擎源码。

推荐环境如下：

如果你使用的是 Epic Launcher 安装的二进制版，Substrate 相关功能通常也已经包含在内，只是源码调试不如源码版方便。这一点按你自己的实际情况选择即可。

2.2 开启 Substrate

在 UE 5.8 中，Substrate 的启用方式在不同版本中可能略有差异。常见做法是：

1. 打开项目设置。
2. 搜索 “Substrate” 或 “Shading Model” 相关选项。
3. 确保 Substrate 处于启用状态。

有些版本是在 Plugins 中启用，有些则通过控制台变量运行。示例中可能用到的控制台变量：

r.Substrate.Enabled=1

注意，具体选项名称、插件名和默认开关状态可能随引擎版本变化。如果你在打开项目后无法创建 Substrate Material，优先排查这一步。

2.3 关于版本差异的提醒

Substrate 是一个仍在快速演进的系统。UE 5.4 刚推出时很多节点还不够稳定，到了 5.8，整体架构已经更完整，但节点名称、输出类型和部分行为仍有可能在不同版本间调整。

因此本文更重点的是讲实现思路和连接逻辑。如果你在实际操作时发现某个节点名称与文章不同，请优先在材质编辑器中通过搜索关键词找到对应节点，而不是照搬旧版本截图。

3. Substrate 核心概念拆解

3.1 从 Shading Model 到 BSDF Slab

Substrate 最重要的思维转换，是把“材质类型”变成“材质成分”。

旧系统的材质类型是单一的。你无法在一张材质里说“这部分是皮肤，那部分是衣服材质”。但 Substrate 允许你通过 BSDF Slab 组合出混合材质。

所谓 Slab，可以理解为一个“材质层”。每个 Slab 至少包含：

• 漫反射或次表面等散射信息。
• 微表面高光信息。
• 光泽度、粗糙度、各向异性等参数。

多个 Slab 之间可以通过混合节点组合，形成复杂的材质效果。这种思路与真实世界中“一层漆底下有一层金属”的物理结构更接近。

对于卡通渲染，我们不一定需要使用完整的 Slab，因为卡通渲染的物理正确性要求不高。但我们可以利用这种组合能力，把更符合风格化的“自定义漫反射”和“自定义高光”组织起来。

3.2 常用节点与材质输出

在 Substrate 材质编辑器中，典型节点有：

实际操作中，通常会先在 Custom 节点里计算卡通光照需要的标量和颜色，再把这些值输入到 Substrate Slab 的 Base Color、Roughness 等端口，最后通过 Substrate Material 输出。

需要说明的是，Substrate Material 输出节点与旧 Material 输出节点的引脚有较大差异。创建材质时，你需要在材质属性中把“Material Domain”设置为 Surface，并选择 Substrate 相关选项，否则无法添加 Substrate 节点。

3.3 卡通渲染要处理的三个核心问题

无论引擎怎么演进，卡通渲染最终都要解决三个问题：

1. 漫反射色调分级。
2. 高光的风格化控制。
3. 轮廓线 / 描边。

3.3.1 色调分级

卡通渲染的漫反射不会像 PBR 那样连续渐变，而是会呈现出明显的“台阶感”。通常的做法是把 NdotL 的值映射到几个离散的亮度等级：

• 亮部。
• 暗部。
• 过渡区域可加入渐变贴图控制。

3.3.2 风格化高光

卡通高光通常是区域明显的、边缘锐利的色块，而不是物理真实的 Blinn-Phong 高通带。可以通过控制高光阈值、加上高光形状贴图来实现。

3.3.3 描边

描边方案非常多。常见的有：

• 背面膨胀法：将模型背面沿法线方向扩展，然后渲染成黑色或自定义颜色。
• 后处理描边：基于深度和法线差异提取轮廓。
• 多 Pass 描边：在材质中增加一个轮廓 Pass。

Substrate 主要用于解决材质层面的光照表达，描边通常还需要配合模型或后处理方案。接下来我们先看材质主体部分。

4. Substrate 卡通渲染材质实战

4.1 创建 Substrate 材质资产

在 Content Browser 中右键，选择 “Material”，命名为M_Toon_Substrate。

打开材质编辑器后，在材质属性中需要确认：

1. Material Domain：Surface。
2. Shading Model：这里不能只选 Toon，而是要选择 Substrate 相关选项。
3. 混合模式：Opaque。
4. 光照模式：可以选择 Forward Shading，如果项目是移动端或 PC Forward。

注意，不同版本的 Shading Model 下拉框中，Substrate 相关选项的命名可能不同，但通常带有 “Substrate” 字样。

创建完成后，你会发现默认输出节点是 Substrate Material，而不是旧的 Material 结果节点。

4.2 卡通漫反射：色调分级核心

在 Substrate 材质中，我们仍然可以写 HLSL。先在材质图中创建一个 Custom 节点，命名为CustomToonDiffuse。

这个节点的作用是根据法线、光照方向和阴影遮罩，计算一个“分级后”的漫反射亮度。

输入引脚我们规划为：

输出引脚类型为 Scalar。

核心 HLSL 代码如下，这段代码写在 Custom 节点的 Custom Expression 中：

float ndl = saturate(dot(normalize(N), normalize(L))); ndl *= LightMask; // 将 NdotL 映射到台阶离散值 float toonDiffuse = floor(ndl * Steps) / Steps; // 当台阶值过低时，直接压到阴影阈值之下，产生更干净的卡通阴影 if (toonDiffuse < ShadowThreshold) { toonDiffuse = 0.0; } return toonDiffuse;

这段逻辑很好理解：

• dot(N, L)得到漫反射强度。
• 乘以阴影遮罩，让实时阴影参与到分级中。
• floor将连续值分档，比如 Steps 为 3 时，结果是 0、0.333、0.666、1.0 四档。

不过这里有一个值得注意的点：如果你希望阴影过渡更柔和，不要使用 if 截断，可以把ShadowThreshold也参与一个 smoothstep 计算。因为 if 在 GPU 上会产生分支，影响性能。

更推荐的做法是：

float toonDiffuse = floor(ndl * Steps) / Steps; float shadowMask = smoothstep(0.0, ShadowThreshold, toonDiffuse); return toonDiffuse * shadowMask;

这样既保留了台阶感，又让阴影边缘可控。

在实际项目中，我们通常不会直接使用纯计算出来的灰度值，而是把这个值作为 UV 去采样一张 Ramp 贴图。这样梯度过渡会更有美术表现力。

4.3 卡通高光

卡通高光同样可以用 Custom 节点实现。创建节点CustomToonSpecular。

输入引脚：

HLSL 如下：

float3 H = normalize(normalize(L) + normalize(V)); float ndh = saturate(dot(normalize(N), H)); // 使用 step 形成硬边高光，实际项目可改成 smoothstep float specular = step(1.0 - SpecularSize, ndh); specular *= SpecularIntensity; return specular;

对于一些二次元渲染，高光形状可能不是简单的圆形。这时可以把高光结果乘以一张高光形状贴图，或者通过另一张 Mask 贴图来控制高光区域的位置。

卡通高光最重要的是“控制边缘锐利度”。如果SpecularSize是 0.1，那么只有 ndh 大于 0.9 的区域才会出现高光。这个方式虽然简单，但非常实用。

4.4 描边与轮廓线

描边不属于材质主体计算，但它是卡通渲染完整效果的关键一环。这里介绍项目中常用的背面膨胀法。

思路是：模型渲染两遍。

• 第一遍：正常渲染角色的材质。
• 第二遍：将背面多边形沿法线方向外扩，输出纯色。

想实现这个方法，可以在 UE 中用第二个材质，也可以在同一材质中通过 Pass 或 Custom 实现。不过对于大多数项目，更推荐在建模阶段或者使用后期处理实现描边。

如果使用背面膨胀法，描边材质一般是这样：

// 顶点Shader中的膨胀逻辑 float3 worldNormal = normalize(mul((float3x3)unity_WorldToObject, v.normal)); float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; worldPos += worldNormal * _OutlineWidth; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP, float4(worldPos, 1.0));

注意，在 UE 中你需要通过材质编辑器里的 World Position Offset 引脚来膨胀顶点，而不是直接修改顶点位置的矩阵。这也是 UE 与 Unity 写法上比较大的差异。

4.5 节点连接与材质参数总览

在 UE 5.8 的 Substrate 材质图中，比较推荐的一种连接方式是：

1. 先用 CustomToonDiffuse 计算漫反射灰度。
2. 用这个灰度作为 UV 或混合因子，采样一张 Ramp 贴图，得到风格化 BaseColor。
3. 将 Ramp 颜色连接到 Substrate Slab 的 Base Color / 漫反射引脚。
4. 将 CustomToonSpecular 结果乘上一个颜色，连接到高光引脚。
5. 把 Substrate Slab 输出到 Substrate Material。

因此整个材质图的逻辑是：

CustomToonDiffuse -> Ramp 采样 -> Substrate Slab.BaseColor CustomToonSpecular -> 高光颜色 -> Substrate Slab.Specular Substrate Slab -> Substrate Material

为了让这个结构可以被复用，建议把 Ramp 采样和 Custom 节点整理进同一个 Material Function，例如命名为MF_ToonLighting。这样角色、道具都可以复用同一个光照函数。

最终参数建议集中到一个材质实例中，比如：

这里核心是让 TA 或美术在不进入材质编辑器的情况下，也能调整渲染风格。

5. 常见问题与排查思路

Substrate 在实际落地时，有一些高频问题。下面这张表可以帮你快速定位。

5.1 典型排错过程：材质全黑

如果你创建好 Substrate 材质后，预览窗口一片黑，先不要怀疑引擎。

按这个顺序排查：

1. 检查 Substrate Material 节点是否存在有效引脚连接。
2. 检查 Custom 节点内部 HLSL 是否包含字段拼写错误。
3. 检查输入引脚名称是否与 HLSL 中使用的变量一致。Custom 节点里默认会生成Inputs参数，但有的版本直接用引脚名，需要你在代码里写成对应变量名。
4. 查看材质编辑器底部的编译日志，关注和 "Substrate"、"HLSL" 相关的报错信息。

大部分全黑问题都是 HLSL 参数引用不一致导致的。尤其是在 Custom 节点中使用多个输入引脚时，建议先在 HLSL 里加上//注释指出每个引脚的用途，便于排查。

6. 最佳实践与工程建议

6.1 把光照逻辑封装成 Material Function

在真实项目中，卡通渲染的材质数量很多，而且不同角色、怪物、道具之间的光照逻辑高度一致。千万不要在每个材质里复制粘贴同一套 Custom 节点。

建议的做法是：

• 创建一个MF_ToonLighting函数。
• 把 CustomToonDiffuse、CustomToonSpecular、Ramp 采样全部封装进去。
• 对外只暴露 Steps、RampMap、SpecularSize 等参数。

这样当光照逻辑需要调整时，只需要修改一个函数，所有引用它的材质自动更新。

6.2 参数规划与材质实例

材质实例是 UE 项目协作的基础。建议把材质参数都设置为可实例化的：

• 颜色类型用 Linear Color。
• 数值类型用 Scalar Parameter。
• 贴图用 Texture2D Parameter。

参数名称建议带前缀，比如Toon_、Outline_，便于在大量实例中检索。例如：

Toon_Steps Toon_ShadowThreshold Toon_RampColor Outline_Width Outline_Color

避免在材质图里直接写死数值，否则美术同学每次都要打开材质编辑器才能调整，效率很低。

6.3 平台差异与性能评估

Substrate 虽然灵活，但性能成本仍然要关注。它允许组合多个 BSDF，但这可能增加编译时间和运行时开销。

在移动端，尤其要注意：

• Custom 节点的 HLSL 写法和支持程度因平台而异。
• 多 Slab 混合会带来额外计算。
• 描边 Pass 会增加 Draw Call。

建议在开发初期就确定目标平台，并按平台分级：

• 高端 PC：使用完整 Substrate 材质，动态阴影、完整描边。
• 中端手机：减少 Slab 数量，描边改为后处理或用顶点膨胀。
• 低端手机：可能还需要保留旧材质系统的简化方案。

6.4 升级与兼容性建议

Substrate 仍处于快速迭代期。引擎升级时，材质图里的节点名称、引脚都有可能变化。建议在项目里建立“材质兼容性测试计划”：

• 每个版本升级后，先打开所有使用 Substrate 的功能材质。
• 检查 Custom 节点的 HLSL 是否有新的编译警告。
• 在目标平台上跑一次自动化截图对比。

如果项目使用了引擎源码，升级时优先查看 Substrate 模块的 changelog。这样可以提前知道哪些节点被移除、哪些引脚被合并。

6.5 关于安全与变更流程

这里额外提醒一点：如果在项目里开启了 Substrate，并且在引擎源码层面做了修改，改动前一定要评估生产环境的升级成本和回归范围。所有引擎级改动都应该有版本管理、备份和可回滚方案，不要在没验证的情况下直接应用到正在跑版的项目中。

7. 总结与后续学习方向

在 UE 5.8 中，Substrate 让卡通渲染的实现方式从“改引擎”变成了“组合材质子系统”。对于风格化渲染开发者来说，这是一个非常好的趋势：材质表达更灵活，也能继续复用引擎的光照、阴影和渲染管线能力。

本文主要围绕几个关键点展开：

1. Substrate 如何改变材质系统：从 Shading Model 枚举转向 BSDF Slab 组合。
2. 卡通渲染的三大核心问题：漫反射分级、高光控制、描边。
3. 在 Substrate 材质图中使用 Custom 节点写 HLSL 实现风格化光照。
4. 工程化管理：用 Material Function 封装逻辑、用材质实例暴露参数、按平台做性能分级。

如果你正准备在自己的项目里落到 Substrate，建议不要一上来就重构所有材质。可以先挑一个主角角色，做一个最小可用的卡通渲染材质，跑通整个管线，再考虑批量替换。这样能最快暴露工具链、平台兼容性和性能问题。

下一步你可以在这几个方向继续深入研究：

• 引擎源码中 Substrate 的实现路径，了解 BSDF Slab 如何被编译到 Shader 中。
• 结合自定义 Depth/Stencil 实现更灵活的描边效果。
• 把卡通渲染与顶点动画、表情系统、道具系统组合，形成完整的一体化渲染方案。
• 在移动端验证 Substrate 材质的真实性能，用 Profile 工具确认 GPU 开销。

希望这份基于 UE 5.8 Substrate 架构的卡通渲染实现解析，能帮你少踩一些坑，更快把风格化渲染落地到自己的项目里。如果你在配置过程中遇到其他奇怪的报错，欢迎按文章里的排查思路一步步拆解，大部分问题都能在材质编辑器的编译日志里找到答案。