大世界树木阴影方案集合

TheLudGamer · 发表于 2021-4-7 18:03

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一、需求

Unity引擎对Terrain上的树阴影处理的稍显简易，常常满足不了项目需求。当动态物体采样Light Probe，默认是不给树烘焙Lightmap的。但我们知道这种大型的动态物体即便light probe proxy volume（不支持，改支持也卡）也仅仅是更丰富间接光和大型遮挡，无法有效地表达自阴影效果。一旦出了实时阴影距离，画面就差了很多。而且手上的《生死狙击2》是一款投入4亿研发的大型项目。我作为负责图形渲染技术的人，自然是需要做大量的技术方案尝试与对比的。

具体需求是50米内用Shadowmap，50-1500米都要有平行光阴影，平行光是静态的。

以下是我尝试过或了解过可以满足这个需求的7种方案。

方案1：烘焙可实例复用的无方向性间接光阴影

这是最简单粗暴的一种做法，就是在3DsMax下利用天光烘焙一个类似AO一样的阴影，这样树木在旋转任意角度后和在任何角度的阳光下都兼容，资源复用率最高，但没有考虑到平行光阴影有点不真实和符合要求不高的问题。得到类似这样的烘焙图，作用在树的两套UV上。代码也很简单，只需要在SpeedTreeCommon.cginc内加入UV1传递，最后*到Albedo上，因为仅仅像AO一样作用间接光影响不够大。

Max烘焙的AO图绑定树的Prefab复用，Unity烘焙无法复用且带方向

实时阴影内

实时阴影外

本方案效果

优点：简单好用，用4行代码实现，性能很高，一张低分辨率图采样1次。

缺点：没考虑方向光，只能自己改善阴影，不能遮挡树下动态物件（静态可以烘焙Shadowmask）。
方案2：烘焙可实例复用+可旋转的平行光阴影

与上一个方案很像，但加上了方向考虑，烘焙这样的8个平行光烘焙图。

根据树实例不同的朝向，设置不同的AO图，但由于树在地形上设置起来不方便，可以做成数组或图集。Shader内根据朝向自己取Index或Offset，因为效果和上一个类似，但带了更好的方向性。每个方向都比较正常。如果觉得8个方向不够可以用2个方向插值或做16个朝向的图。

本方案效果

优点：简单好用，性能很高，一张低分辨率图集采样1次或2次，支持旋转，带有方向性阴影。

缺点：不同角度太阳的地图可能都需要一套独立的贴图，只能自己改善阴影，不能遮挡树下动态物件（静态可以烘焙Shadowmask）。
方案3：低精度预计算静态Shadowmap阴影

先对比下实时阴影内的效果，树叶自阴影还不错，但第二张，在实时阴影外就惨不忍睹了。

用4M静态Shadowmask效果：

原理：离线对场景拍一张记录深度图的Shadowmap且记录灯光相机的matrix_vp。但因为这种大范围的拍摄，深度精度或许会不足，所以我没用16位的，而是用RGBA32自己压缩了深度，所以看起来是条纹的。

优点：不仅自己有阴影还能遮挡远处的人物等动态对象，实现简单，运行时省Draw Call，不用反复拍摄远景。

缺点：显存大。

继续升级的方案：基于虚拟贴图的静态Shadowmap或Texture streaming的Shadowmap。

之前工程：https://github.com/jackie2009/ScrollingStaticShadowmap
方案4：稀疏八叉树体素化静态阴影

用0.9M体素化阴影的效果：

原理：每0.5米一个立方体，记录0或1，表示是否在阴影内，作为八叉树节点。然后通过树的压缩节省内存。

要研究压缩的可以看我另一篇全面压缩的4种算法。

《四叉树阴影高级压缩技巧》

优点：不仅自己有阴影还能遮挡远处的人物等动态对象，运行时省Draw Call，不用反复拍摄远景，相比Shadowmap省显存。

缺点：实现复杂些，预计算写高并发才能够快。Shader需要多次采样才能查询到结果。

原理引用：《Shader内用八叉树实现体素化阴影》

工程文件：https://github.com/jackie2009/ocTreeVoxelizedShadows/

方案5、6、7 ：每个Demo开发都比较复杂，后面更新或单独一篇。

文末，再次感谢偶尔不帅的分享，如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们，一起探讨。（QQ群：793972859）

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