Shell Fur 多通道材质系统

壳层毛发（Shell Fur）靠把同一张网格沿法线偏移 N 次来叠出体积感。每层壳采样一张密度纹理做镂空，从侧面看就是一层层的毛。偏移的数学几行能写完，但要在引擎里把它做成一个完整可用的系统，需要回答的问题远比偏移公式多：层数怎么跟着 LOD 走，怎么让毛发只出现在角色该长毛的 Section 上，阴影和纹理流送怎么感知这些多出来的层，以及美术怎么在已有的材质槽和 LOD 面板上把这些配完。

在做这套系统之前，已有两种主流做法，但它们各自的代价在跨平台角色渲染的场景下不太能接受。

一、已有方案的问题

做这套系统之前用过两条路，都有各自的硬伤。

1.1 在 DCC 里烘 N 层壳模型

最直觉的做法。美术在 DCC 里把角色网格复制 N 份，逐层沿法线撑开、缩小、调色，N 层壳和本体一起蒙皮、一起导出、一起进引擎。后面动画蒙好皮，直接在引擎里使用。

造型上限很高，每一层壳的每个顶点位置都是手工可控的，额头的毛往左倒、背上的毛偏右、某一层比别的层长一截，这些全靠调顶点就能做到。

但层数烘死在资产里之后，后面所有和"运行时可变"相关的能力就全没了。远处角色减层得重做资产，画质档位切不了，LOD 联动做不到，动态层数控制更不可能。迭代也很痛苦：改毛长或者改方向要回 DCC，重新导出、重新蒙皮、重新导入。骨架稍微调一下，比如加一根骨骼或者改权重，N 层壳的蒙皮权重全要跟着重刷，N 层就是 N 倍的工作量。维护和迭代的线性成本是这条路最大的硬伤。

提交侧也是 N 倍膨胀：N 份顶点数据、N 个 Section、N 次 Draw Call。内存同理。

1.2 GFur（GFurPRO）

GFur 是一套完整度很高的壳层毛发方案。毛发造型、物理模拟、Spline 引导、LOD 分级全都做了，单看功能列表的话该有的都有。

核心做法是把每一层壳的顶点偏移烘成独立的 Vertex Element：

float3 FurOffset : ATTRIBUTE12;

每层壳有自己的顶点流，每个顶点带着自己的 FurOffset，顶点着色器直接把顶点推到该层该去的位置。造型自由度非常高，每一层可以 Sample 出不一样的 Pos，得到非常完美的 Fur 造型，方向、长度、噪声完全独立可控。

它还带了一整套毛发专用参数：ShellBias 做非线性壳分布（层数少时把壳往梢部推减少断层）；MinScreenSize 控制毛发整体消隐距离；FurSplines 把 DCC 引导曲线带进引擎；物理部分用 ForceDistribution、Stiffness、Damping、MaxForce、ReferenceHairBias、HairLengthForceUniformity 描述受力行为。UGFurComponent 继承自 UMeshComponent，自己管 MasterPoseComponent 绑定、骨骼映射、Morph Target 同步，以及逐帧物理偏移。

问题在三个方面。

跨平台带宽与内存压力。每一层 Shell 都是独立的 Vertex Element。顶点数据随层数线性膨胀，8 层就是 8 份位置和偏移数据，每帧都要从顶点缓冲取。5 万顶点的角色、8 层壳，仅 FurOffset 一项就是 5万 × 8 × 12字节 ≈ 4.6MB 的额外顶点缓冲。场上 20 个角色，光毛发的顶点数据就接近 100MB。桌面上这笔开销还摊得开，移动端的带宽和显存都紧。

组件侵入性。UGFurComponent 和原有的 USkeletalMeshComponent 并行挂在 Actor 上，两套包围盒、两套可见性判定、两套组件 Tick。引擎的 LOD 切换、阴影投射、Batch 统计以组件为单位运作，对毛发组件要么重新实现要么绕过。

Art Friendly 不足。层数、LOD、ScreenSize、物理参数全部开在 GFur 组件面板上，和角色已有的材质编辑、LOD 设置分属两套工作流。LOD 相关的配置尤其不够直觉，美术要先找到这个组件、再理解它怎么算 LOD、怎么切层数。配错了排查起来也困难，毛发的显示问题可能出在 Grow Mesh 选错、MasterPose 没绑对、LOD 配置和主体不一致，这些都不在美术熟悉的面板上。

二、我们的方案

两条路背后是同一个假设：毛发的形状必须由几何承载。但壳层偏移只取决于法线方向和一个归一化的层深度，几何只需要画一份，N 层靠 Draw Instance 展开，形状控制交给材质。

2.1 核心思路

骨骼模型或静态模型上，相关 LOD 的不同 Slot 可以配置 Fur 开关、Fur 材质以及 Count Bias；每一层 LOD Setting 上可以配置 Fur Count。每一层壳由 NumInstances（Draw Instance）驱动，GPU 展开 N 次顶点着色，每次带一个不同的 SV_InstanceID，这就是层号。

所有层共享 VertexColor 里相同的 Tangent Fur Dir（切线空间毛发方向，美术用 Paint Module 刷上去）。材质里根据 InstanceID 对方向做权重，就能形成毛发朝某个方向弯曲生长的效果。代价是失去了每一层不一样的 Pos 形成的宏观造型细节。GFur 的逐层独立偏移能做到的精确造型，这套方案做不到。

接入方式是直接在骨骼模型组件或静态模型组件的 SceneProxy 中插入（类似 UE 5 的 Overlay Material 那样的附加数据），不引入新组件。美术在材质槽和 LOD 面板上就能配完，不需要学新组件；层数跟着 LOD 自动降；CPU 提交次数与层数脱钩。

2.2 挂载与数据结构

整套实现挂在 UMeshComponent 上，骨骼网格和静态网格共用同一套逻辑。总闸是网格资产上的 bSupportPerSectionMultipass，放在 LOD 设置分类里：

bool bEnablePerSectionMultipass;   // 组件侧，由网格资产的 bSupportPerSectionMultipass 驱动

核心数据结构是一个 Map，Key 是美术在材质槽里配的那个原始父材质，Value 是按 LOD 索引的 MID 数组：

TMap<UMaterialInterface*, FMaterialArrayHandle> PerSectionMultipassMaterialMaps;

struct FMaterialArrayHandle
{
    TArray<UMaterialInterface*> MaterialArray;   // 下标是 LODIndex
};

用材质做 Key 而不是槽 index，因为槽的 index 会随增删重排而变，渲染侧的查找是从"当前 Section 用的材质"出发的，材质是稳定标识。每级 LOD 各一个 MID 是被层数的存储方式逼出来的：层数要随 LOD 变，层数变了材质里的参数就得跟着变，参数烘在 MID 上，所以每级 LOD 需要自己的 MID。

2.3 材质侧接口

毛发需要两样东西：一个用来画毛的材质，和一个层数。

UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadOnly, Category = PerSectionMultipass)
int32 PerSectionMultipassDrawCount;                // 期望层数

UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadOnly, Category = PerSectionMultipass)
UMaterialInterface* PerSectionMultipassMaterial;   // 用来画毛发层的材质

挂在 UMaterialInterface 上，材质继承链能带着走。UMaterialInstance 先看有没有覆盖，没有就沿 Parent 上溯：

int32 UMaterialInstance::GetPerSectionMultipassDrawCount_Internal() const
{
    if (bOverridePerSectionMultipassDrawCount)
        return PerSectionMultipassDrawCount;
    return Parent ? Parent->GetPerSectionMultipassDrawCount_Internal() : 0;
}

这意味着同一个母材质下，不同角色可以用不同的材质实例覆盖出不同的层数。

渲染线程拿不到 UMaterialInterface，只能拿 FMaterialRenderProxy，所以代理上也存了一份。同步发生在 UpdateMaterialRenderProxy 里，外层用 IsSupportShellFur 守门，没勾这个标记的材质不做同步。

2.4 预生成

层数逐 LOD 算出来，放在一个预生成步骤里。骨骼网格和静态网格各实现一份，逻辑几乎一样：

void USkinnedMeshComponent::CreatePerSectionMultipassData()
{
    PerSectionMultipassMaterialMaps.Empty();
    for (int32 MaterialIndex = 0; MaterialIndex < GetNumMaterials(); ++MaterialIndex)
    {
        if (UMaterialInterface* ParentMaterial = GetMaterial(MaterialIndex))
        {
            int32 DrawCount = ParentMaterial->GetPerSectionMultipassDrawCount_Internal();
            if (ParentMaterial->GetPerSectionMultipassMaterial_Internal())
            {
                FMaterialArrayHandle Handle;
                for (int32 LODIndex = 0; LODIndex < SkeletalMesh->GetLODNum(); ++LODIndex)
                {
                    DrawCount = FMath::Min(DrawCount,
                        SkeletalMesh->GetLODInfo(LODIndex)->MaxShellFurLayerCount.Default);
                    if (DrawCount > 0)
                    {
                        UMaterialInstanceDynamic* MID = UMaterialInstanceDynamic::Create(
                            ParentMaterial->GetPerSectionMultipassMaterial_Internal(), this);
                        MID->SetFlags(RF_Transient);
                        MID->SetScalarParameterValue(TEXT("G_LayerCount"), DrawCount);
                        MID->SetScalarParameterValue(TEXT("G_LayerStepSize"), 1.0f / DrawCount);
                        Handle.MaterialArray.Add(MID);
                        MID->AddToCluster(this, true);
                    }
                }
                PerSectionMultipassMaterialMaps.Add(ParentMaterial, Handle);
            }
        }
    }
}

静态网格版本用 StaticMesh->RenderData->MaxShellFurLayerCount[LODIndex]。DrawCount 在循环里被持续收紧，后面的 LOD 只会比前面更少，层数随 LOD 单调不增。

MID 打了 RF_Transient 并 AddToCluster 挂到组件引用簇里，不做的话下一个 GC 周期就收走，表现是毛发画一阵停一阵。G_LayerCount 是总层数，材质拿它做归一化或逐层衰减；G_LayerStepSize = 1/N，注入端算好避免层数改了步进没跟上。

触发时机：BeginPlay（建数据 + 标脏）、CreateRenderState_Concurrent（编辑器里没有 BeginPlay，补一次，限定 Editor / EditorPreview 世界类型）、SetMaterial / SetSkeletalMesh（换了就重建，限定 Game / PIE）、OnUnregister / EndPlay（清空 Map）。编辑器和运行时分开处理，是因为同一个组件在两种世界类型下的生命周期不一样。

2.5 提交

代理构造时从组件拷一份 bEnablePerSectionMultipass 和 Map，渲染线程完全靠自己这份数据。毛发层的提交在 GetDynamicMeshElements 里紧跟原有 MeshBatch：

bool bCreateFurBatch = CVarSkeletalMeshPerSectionMultipass.GetValueOnRenderThread() == 1;
if (bEnablePerSectionMultipass && bCreateFurBatch)
{
    FMaterialRenderProxy* Proxy = SectionElementInfo.Material->GetRenderProxy();
    int32 DrawCount = FMath::Min(
        Proxy->GetPerSectionMultipassDrawCount(),
        MeshObject->SkeletalMeshLODInfo[LODIndex].MaxShellFurLayerCount.Default);

    if (DrawCount > 0 && PerSectionMultipassMaterialMaps.Num() > 0
        && Proxy->GetPerSectionMultipassMaterial())
    {
        if (const FMaterialArrayHandle* Handle =
            PerSectionMultipassMaterialMaps.Find(SectionElementInfo.Material))
        {
            if (const UMaterialInterface* FoundMID = Handle->MaterialArray[LODIndex])
            {
                FMeshBatch& FurBatch = Collector.AllocateMesh();
                FurBatch = Mesh;   // 顶点、索引原样复用
                FurBatch.MaterialRenderProxy = FoundMID->GetRenderProxy();
                FurBatch.CastShadow = false;
                FurBatch.bSecondPass = false;
                FurBatch.ReverseCulling =
                    IsLocalToWorldDeterminantNegative() || bBackFacePass;
                FurBatch.bUseForMaterial = true;
                FurBatch.Elements[0].NumInstances = DrawCount;
                AddCollectorMesh(Collector, ViewIndex, FurBatch, LODIndex, SectionIndex);
            }
        }
    }
}

FurBatch = Mesh 直接赋值，没有用 CreateBaseMeshBatch 从零拼，毛发层和原始 MeshBatch 用同一份几何，直接拷省掉一整轮填充。NumInstances = DrawCount 是整套做法的核心：一份 MeshBatch 在 GPU 上展开成 N 次顶点着色，CPU 侧只提交一次。层数从 4 变到 12 对 CPU 没有影响。

CastShadow = false，壳层进阴影贴图只会把同一份几何铺 N 遍，拿到的也不是正确的毛发剪影。bSecondPass = false 和引擎多材质通道机制隔离。bUseForMaterial = true 让流送和统计能看到这份 MeshBatch。ReverseCulling 处理角色镜像时 LocalToWorld 行列式为负导致的手性翻转。不写这一行，镜像角色的毛发层正反面会反。

静态网格走这条路有一个额外代价：bEnablePerSectionMultipass 为真时代理被标成 bDynamicRelevance，失去引擎对静态网格的按帧缓存路径。角色本来就是动态的所以无所谓；大批静态物体（草、装饰物）要长毛的话这笔账要先算。

2.6 着色器管线

材质上勾 bSupportShellFur 之后，标记经 FMaterialShaderParameters 带到顶点工厂编译环境：

OutEnvironment.SetDefine(TEXT("USE_SHELL_FUR"),
    Parameters.MaterialParameters.bSupportShellFur == 1);

LocalVertexFactory 和 GPUSkinVertexFactory 各有一处。这是材质级的着色器排列，勾了的材质编译出来多一条取层号的路径，没勾的根本不存在。顶点输入里用宏控制：

#if USE_SHELL_FUR
    uint InstanceId : SV_InstanceID;
#endif

材质图里通过 PerInstanceID 节点暴露层号：

float GetPerInstanceID(FMaterialVertexParameters Parameters)
{
#if USE_SHELL_FUR || USE_INSTANCING
    return (float)Parameters.InstanceId;
#else
    return -1;
#endif
}

同时挂在 USE_SHELL_FUR 和 USE_INSTANCING 下，壳层毛发用的就是实例化，两个条件是同一件事的两种来源。没有毛发时返回 -1 而不是 0：0 是合法层号，-1 让材质能区分"在第 0 层"和"没有层"，同一套节点图两条路径都成立。只在顶点阶段可用，翻译器里发现别的频率调用会直接报错。

材质里的 World Position Offset：

Offset = normalize(FurDir) * (PerInstanceID * G_LayerStepSize * FurLength)

FurDir 来自顶点色，PerInstanceID 是层号，G_LayerStepSize 是 1/N，FurLength 是贴图或参数。偏移量逐层线性，要做别的分布在材质里对 PerInstanceID 做重映射，比如套幂曲线把层往梢部推，等价于 GFur 的 ShellBias。

这里有一个容易忘的陷阱：引擎构造骨骼网格代理时会逐 Section 校验 CheckMaterialUsage_Concurrent(MATUSAGE_SkeletalMesh)，不过关就整段退回默认材质。毛发材质是独立一份，也要过这一关。如果本体材质合法但毛发材质没勾 Skeletal Mesh 用法，整个 Section 连本体一起变灰。带布料的 Section 还要过 MATUSAGE_Clothing。

2.7 层数的配置链

实际生效的层数是两处取最小：材质上的 PerSectionMultipassDrawCount（毛发规格：浓密体毛想要 12 层，胡须只要 4 层）和当前 LOD 的 MaxShellFurLayerCount（性能约束：这一级允许花多少）。另有一个 CVar 总开关只管开不开，不参与层数计算。

MaxShellFurLayerCount 挂在 LOD 数组上，类型是 FPerPlatformInt，每一级能按平台单独覆盖。静态网格自动生成：

MaxShellFurLayerCount[LODIndex].Default = 12 / (LODIndex + 1);

LOD0 给 12 层，LOD1 给 6，LOD2 给 4，LOD3 给 3。按倒数分配把预算花在近处，层数和视觉质量不是线性关系，12 降到 10 几乎看不出来，4 降到 3 断层很明显。

同一段代码里处理了 Mobile 的 MinLOD 补偿：移动端把 MinLOD 往上提省几何，层数如果直接按偏移后的索引取，同一视距下就会比桌面少。自动生成里做反向补偿，移动端选中第 Index 级 LOD 时取第 Index - MobileMinLOD 级的默认值。补偿前先清掉已有的 Mobile 平台覆盖再重算，函数幂等。整个函数被 bIsImporting 卡着，只在导入时跑，手调过的值不会被保存时覆盖。

骨骼网格走 LOD Group：FSkeletalMeshLODGroupSettings 里也有 MaxShellFurLayerCount，默认 12。bOverrideMaxShellFurLayerCount 勾上就用自己的值，不勾就跟随 LOD Group，同一类角色统一配，个别特殊处理时再单独开。FBX 导入给默认值 12，重新导入保留原值。

编辑器面板上，静态网格在 LOD 设置行里加了 Max ShellFur Layer Count（带平台覆盖），骨骼网格在 Persona 的 LOD 面板和 ScreenSize、LODHysteresis 排一起。总闸 Support PerSection Multipass 在资产 LOD 设置下。

2.8 方向与 Paint Module

壳层毛发只沿法线偏移的话看起来像毛刷。方向放在顶点色里。美术用 Paint Module 在模型上刷切线空间下的方向，写进 VertexColor 通道，所有层共享同一条基准方向。

选顶点色的理由：本来就要传的通道，不增加顶点缓冲大小也不增加布局元素；跟着蒙皮走，骨骼动了方向自动变形；FBX 带顶点色、引擎导入顶点色，导出链路成熟。另开 UV 通道或自定义顶点属性要动顶点布局，所有平台的顶点工厂、变体、压缩格式都要审一遍，不划算。

同一个顶点色通道里还能存长度和密度掩码，材质图读同一个顶点色、不同分量做不同的事。Paint Module 本身做读写顶点色、屏幕笔刷、法线朝向过滤（避免刷背面）、多人协作资产的保存合并。毛发方向是纯造型意图，用笔画出来比用参数描述快。

三、代价与失去的能力

GFur 的逐层独立顶点换来的是逐层宏观造型，每一层可以有不一样的 Pos。额头的毛整体往左倒，背上偏右，第三层比第二层长一截，某一层方向突然拐一下，这些都能烘进顶点流。

这套做法只有一份顶点数据，层与层之间的差异靠层号算：

方向 = 基准方向 × f(PerInstanceID)

f 是单调的。能做出"根部直、梢部弯"的渐变，以及整片毛朝同一个方向倒的整体走势。做不出逐层不同的宏观形状，层间只有标量差别没有方向自由度。具体效果上：一身毛往一个方向飘可以做，脖子和背上各自朝不同方向倒做不出来，得靠顶点色分区域刷不同方向来近似。

换来的是三件事：顶点数据不随层数增长，组件结构不动，层数可以按 LOD 和平台分档配。多数角色的体毛、绒毛、短毛用这套够了；需要逐层造型的长毛动物、造型复杂的幻想生物，GFur 那条路更合适。

如果将来要在这套方案里拿回逐层造型自由度，一条路是把逐层偏移做成贴图走纹理采样，代价是采样开销和一次额外的纹理流送。

四、管线侧的补充处理

除了核心的提交和着色器链路，还有几处管线侧的细节不处理会出问题。

4.1 材质相关性与纹理流送

GetMaterialRelevance 要把毛发的 MID 并进来，渲染器靠它判断物体走哪些通道。漏了 MID 会导致某些视角下缺光照。GetUsedMaterials 同理，纹理流送靠这个列表决定贴图驻留，漏了 MID 毛发贴图会被当成没人引用的资源。

4.2 运行时开关的代价

SetPerSectionMultipassState 留在基类上但实现是空的。运行时切换要重建 MID、重建渲染状态、重走材质代理注册，改成由 bSupportPerSectionMultipass 做配置期开关，资产级一次性成本，运行时开关每次都付。

4.3 阴影轮廓

毛发层不投影，角色阴影里不会有毛发轮廓。壳层剪影本来就很难从阴影贴图里得到正确结果，但如果角色极度依赖毛发剪影会有不一致。

4.4 CVar 与统计

r.PerSectionMultipass.SkeletalMeshes   0 = Off / 1 = On [默认]
r.PerSectionMultipass.StaticMeshes     0 = Off / 1 = On [默认]

ECVF_RenderThreadSafe，运行时随时切，做性能对比时同一场景切一次就能拿到差值。统计的语义注意：DrawCall 加 1（CPU 确实只提交一次），三角形计数加的是 Mesh.GetNumPrimitives() 没乘层数，GPU 侧实际是 N 倍。

五、已知限制

当前每级 LOD 预建一个 MID，这是"层数是材质参数"这个设计的直接后果。GPU Scene 里有按图元、按 Section 组织的附加 uniform 数据通道，如果层数走那条路就不需要预建 MID，少一批 MID 省内存和创建开销，层数可以按 Section 分别配，运行时改层数也不需要重建。这条路要动 GPU Scene 的数据布局，影响面比 Shell Fur 本身大。

另一个是面板入口：开关和附加材质现在分散在网格资产和材质资产两处，理想的状态是直接在 Mesh 编辑器的每个 Material Slot 后面跟开关和附加材质槽。

写在最后

代价很明确：失去了 GFur 那种逐层独立偏移的宏观造型能力。对多数角色的体毛、绒毛、短毛来说够用，需要逐层造型的长毛动物要另选载体。

后续有两件事想做。一是把层数从 MID 参数迁移到 GPU Scene 的 Per Section Uniform 数据上，彻底去掉每级 LOD 预建 MID 的环节，层数变成提交时顺手写入的一个值。二是把 Fur 开关和附加材质直接放到 Mesh 面板的 Material Slot 后面，让美术在一个地方配完所有东西。

皮了个牛