【转载】Unity 接收阴影——计算阴影的三个主要部分

ShaderJoy
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正文

关于阴影深度的基础知识

传统的 ShadowMap

ShadowMap 说起来十分简单，把 摄像机 和 光源 的位置重叠，那么场景中该光源的阴影区域就是那些摄像机看不到的地方，主要应用在 前向渲染 路径中。

具体实现分以下几个步骤：

  • 如果有 平行光 开启了阴影，Unity 就会为该光源计算它的 ShadowMap（只会计算一个平行光），这张 ShadowMap 其实就是 深度图，记录了从该光源的位置出发、能看到的场景中距离它最近的表面位置（深度信息）。
  • Unity中实现了一个额外的 Pass 来专门更新光源的 ShadowMap，这个 Pass 就是 LightMode 标签被设置为 ShadowCaster 的 Pass。
  • 然后再 正常渲染 的 Pass 中把顶点位置变换到 光源空间 下，以得到它在光源空间中的三维位置信息。然后根据坐标信息对 ShadowMap 采样，得到该点在 ShadowMap 中的深度信息。比较后，判断该点是否应该在阴影中。

注意：利用 Receive Shadows 的开关可以控制物体是否显示阴影，但是不影响渲染。而 Cast Shadows 的开关则控制该物体是否会加入到 Shadowmap 的渲染。

屏幕空间的阴影

延迟渲染 中的光照计算绝大部分都是在屏幕空间里进行的，同样也包括阴影。

这种屏幕空间的阴影实现主要有这么几个步骤：

  1. 首先得到从当前摄像机处观察到的深度纹理。在 延迟渲染 里这张深度图本来就有，如果是 前向渲染 的话就需要把场景整个渲染一遍，把深度渲染到深度图中。
  2. 然后再从光源出发得到 从该光源处观察到的深度纹理，也被称为这个光源的 ShadowMap。
  3. 然后在 屏幕空间 做一次 阴影收集 计算（Shadows Collector），这次计算会得到一张屏幕空间阴影纹理，也就是说这张图里面需要有阴影的部分已经显示在图上了。

这个过程概括来说就是把每一个像素根据它在 摄像机 深度纹理中的深度值得到 世界空间 坐标，再把它的坐标从世界空间转换到 光源空间 中，和 光源 的 ShadowMap 里面的深度值对比，如果大于 ShadowMap 中的深度距离，那么就说明 光源无法照到，在阴影内。

  1. 最后，在正常渲染物体为它计算阴影的时候，只需要按照当前处理的 fragment 在 屏幕空间 中的位置对 步骤 3 得到的屏幕空间阴影图采样就可以了。

二者的主要异同

两者都会渲染 光源空间 的深度图，但 前者 的采样发生在 光源空间，片元坐标转换到 光源空间 对 ShadowMap 采样，而 后者 会做一次阴影收集计算（Shadow Collecctor）得到 屏幕空间 阴影纹理，片元在 屏幕空间 对阴影纹理采样。

Unity3D 中开启不同阴影的情况

截止到 Unity 5.4，当项目工程的目标平台是 Mobile 的时候，就 不会 使用屏幕空间的 Shadows Map 技术，即使用原始的 Shadows Map 方法。在代码里，Unity 会定义内置宏UNITY_NO_SCREENSPACE_SHADOWS 来控制。而当项目工程的目标平台是支持屏幕空间阴影的话，例如 PC, Mac & Linux Standalone 平台时，会开启 屏幕空间的阴影映射技术。

我们可以通过帧调试器（Frame Debugger）来分辨当前是否使用了屏幕空间的阴影映射技术：

image.png

image.png

让物体能够接受阴影的三剑客

三个内置宏（SHADOW_COORDS, TRANSFER_SHADOW, SHADOW_ATTENUATION) 就是计算阴影的三个主要部分。可以在 AutoLight.cginc 中找到它们的声明。

作用：

让物体能够接收阴影，原理是采样 LightMode = ShadowCaster Pass 里渲染出来的阴影深度图，然后与光照融合，阴影越强烈，贴图像素数值越靠近 0 。

需要在 Pass 中包含新的内置文件 #include "AutoLight.cginc"

SHADOW_COORDS

SHADOW_COORDS 声明 了一个名为 _ShadowCoord 的阴影纹理坐标变量。 它的 作用 是 声明一个用于对阴影纹理采样的 uv 坐标。一般用于片元着色器的输入结构体中，而且这个宏的参数 需要 是下一个可用插值寄存器的索引值，本例中是 2。

例如：

// 片元着色器的输入结构体
struct Interpolators{
    flaot4 uv : TEXCOORD0;
    float3 normal : TEXCOORD1;
    float4 pos : SV_POSITION;  //裁剪坐标，变量名要写死为pos，配合TRANSFER_SHADOW            
    SHADOW_COORDS(2) // 相当于float4 _ShadowCoord : TEXCOORD2 
}

源码：

#define SHADOW_COORDS(idx1) unityShadowCoord4 _ShadowCoord : TEXCOORD##idx1;

TRANSFER_SHADOW

TRANSFER_SHADOW 会 得到 一个用于提取阴影贴图的 uv 坐标，即 它的作用 是得到一个用于采样阴影贴图的坐标

TRANSFER_SHADOW 会根据平台的不同而有所 差异:

  1. 如果当前平台可以使用屏幕空间的阴影映射技术(SCREENSPACE_SHADOWS），则会调用内置的 ComputeScreenPos 函数计算屏幕空间的 uv 坐标，存储在 _ShadowCoord，后续直接用屏幕 uv 坐标采样屏幕阴影贴图;
  2. 如果不支持则会使用传统的阴影映射技术，TRANSFER_SHADOW 会把顶点坐标从 模型空间 转换到 光源空间 后存储到 _ShadowCoord 中，后续根据坐标信息对 ShadowMap 采样。

例如：

// 顶点着色器, 参数命名要写死 v，v 里面的顶点坐标要写死 vertex，配合 TRANSFER_SHADOW
Interpolators MyVertexProgram(appdata v){
    Interpolators o;
 
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 裁剪坐标，变量名要写死为 pos，配合 TRANSFER_SHADOW
 
    TRANSFER_SHADOW(o);
    return o;
}

源码：

如下红框部分

image.png

SHADOW_ATTENUATION

SHADOW_ATTENUATION 负责 使用 _ShadowCoord 对对应的纹理进行采样，得到阴影信息。

用法1：

在片元着色器中，把片元函数输入结构体传给 SHADOW_ATTENUATION，直接得到衰减

UnityLight light;
// 片元着色器中使用
float attenuation = SHADOW_ATTENUATION(i)
light.color = _LightColor0.rgb * attenuation;

用法2：

在片元着色器中，把片元函数输入结构体传给 UNITY_LIGHT_ATTENUATION(attenuation, i, i.worldPos) 的第二个参数，然后间接调用 SHADOW_ATTENUATION

UnityLight light;
// 片元着色器中使用
UNITY_LIGHT_ATTENUATION(attenuation, i, i.worldPos);
light.color = _LightColor0.rgb * attenuation;

UNITY_LIGHT_ATTENUATION 解析：

源码：

如下红框部分

image.png

最后

以上是以 直射光 作为例子讲解的，不同灯光类型的宏会略有不同，具体请看 Unity Buildin 的源码

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