【unity Shader 学习笔记】5-2 阴影

资源大湿 · 发表于 2022-12-7 09:14

现实生活中，一个物体除了接收光照外，它还会生成和接收阴影。在渲染中，如果一个物体没有阴影，那么看起来就像浮空一样，也很假很奇怪。

生成阴影

现实生活中，阴影是光线被阻挡的结果。
光线被阻挡，会生成阴影，那也就是说，当这个位置有物体遮挡(有被写入深度)的时候，物体背后会生成阴影。那么没有写入深度的物体(透明物体)又是怎样生成阴影的呢？
在unity 中，使用的是 ShadowMapping，是一种常用的实时阴影生成方法。

且物体上需要开启阴影的生成与接收

光源无法达到的位置，但是相机能看得到的，那么就认为这个位置是在阴影下。这个位置通过比较，到光源和到摄像机的深度得到结果。
然后，要用一个东西记录这些信息，也就是阴影映射纹理（shadowmap），它从本质上来说，是一张深度图。它记录了，从该光源的位置出发、能看到的场景中距离它最近的表面信息（深度信息）。
不透明物体的阴影

最简单的一种生成阴影办法，则是在shader 中添加 FallBack
Shader
{
......
SubShader {}
// 生成阴影
FallBack &#34;Diffuse&#34;
}它会找到内置的 Diffuse shader 文件，使用里面的生成阴影的方法。具体原理嘛，还不太懂。这样做的好处是可以减少自己写的 shader 中的pass 的数量。
另外一种方法，则是添加一个pass来绘制阴影。直接上代码
Pass
      {
         // 生成阴影
         Tags {&#34;LightMode&#34; = &#34;ShadowCaster&#34;}
         CGPROGRAM

         #pragma vertex vert
         #pragma fragment frag
         // 定义在LightMode=ShadowCaster的Pass中，会自动生成两个宏:
         // 1. SHADOWS_DEPTH :用于生成直线光和聚光灯阴影.
         // 2. SHADOW_CUBE :用于生成点光源阴影.
         #pragma multi_compile_shadowcaster
         #include &#34;UnityCG.cginc&#34;

         struct appdata
         {
            float4 vertex :POSITION;
            half3 normal : NORMAL;
         };

         struct v2f
         {
            // 用于声明需要传送到片断的数据.
            V2F_SHADOW_CASTER;
         };

         v2f vert(appdata v)
         {
            v2f o;
            //主要是计算阴影的偏移以解决不正确的Shadow Acne和Peter Panning现象
            TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o)

            return o;
         }

         fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
         {
            // 内置的定义宏，没有查看到具体的逻辑
            SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i)
         }
         ENDCG
      }

添加&#34;LightMode&#34; = &#34;ShadowCaster&#34;的Pass.
appdata中声明float4 vertex:POSITION;和half3 normal:NORMAL; 这是生成阴影所需要的语义
v2f中添加V2F_SHADOW_CASTER; 用于声明需要传送到片断的数据.
在顶点着色器中添加TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o)，主要是计算阴影的偏移以解决不正确的Shadow Acne和Peter Panning现象.
在片断着色器中添加 SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i)

在 UnityCG.cginc 中，我们能找到相关的注释，但是并没有具体函数的实现
V2F_SHADOW_CASTER
// Declare all data needed for shadow caster pass output (any shadow directions/depths/distances as needed),
// plus clip space position.
#define V2F_SHADOW_CASTER V2F_SHADOW_CASTER_NOPOS UNITY_POSITION(pos)TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET
// Vertex shader part, with support for normal offset shadows. Requires
// position and normal to be present in the vertex input.
#define TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o) TRANSFER_SHADOW_CASTER_NOPOS(o,o.pos)SHADOW_CASTER_FRAGMENT
#if defined(SHADOWS_CUBE) && !defined(SHADOWS_CUBE_IN_DEPTH_TEX)
// Rendering into point light (cubemap) shadows
#define V2F_SHADOW_CASTER_NOPOS float3 vec : TEXCOORD0;
#define TRANSFER_SHADOW_CASTER_NOPOS_LEGACY(o,opos) o.vec = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz - _LightPositionRange.xyz; opos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
#define TRANSFER_SHADOW_CASTER_NOPOS(o,opos) o.vec = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz - _LightPositionRange.xyz; opos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
#define SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i) return UnityEncodeCubeShadowDepth ((length(i.vec) + unity_LightShadowBias.x) * _LightPositionRange.w);

#else
// Rendering into directional or spot light shadows
#define V2F_SHADOW_CASTER_NOPOS
// Let embedding code know that V2F_SHADOW_CASTER_NOPOS is empty; so that it can workaround
// empty structs that could possibly be produced.
#define V2F_SHADOW_CASTER_NOPOS_IS_EMPTY
#define TRANSFER_SHADOW_CASTER_NOPOS_LEGACY(o,opos) \
      opos = UnityObjectToClipPos(v.vertex.xyz); \
      opos = UnityApplyLinearShadowBias(opos);
#define TRANSFER_SHADOW_CASTER_NOPOS(o,opos) \
      opos = UnityClipSpaceShadowCasterPos(v.vertex, v.normal); \
      opos = UnityApplyLinearShadowBias(opos);
#define SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i) return 0;
#endif透明物体的阴影

我们知道阴影的生成和物体的深度信息有关系，可以通过 Frame Debug 来查看阴影的信息

Alpha Test (生成/接收阴影) Alpha Blend (不生成/接收阴影)

Alpha Blend 是需要关闭深度写入的，所以一般情况下，它是不会生成阴影的。因为要为这样的半透明物体生成正确的阴影非常的复杂，而且也影响性能。但是，也可以通过一些强制的耍手段令其生成阴影。
在shader内添加
FallBack &#34;VertexLit&#34;

Alpha Test 虽然看起来有生成阴影，但是阴影看起来不是很对。由于一些面完全背向光源，因此这些面的深度信息没有假如到阴影映射纹理的计算中。需要修改物体Mesh Renderer 的 Cast Shadows 属性设置为 Two Sided

接收阴影

在v2f中添加UNITY_SHADOW_COORDS(idx),unity会自动声明一个叫_ShadowCoord的float4变量，用作阴影的采样坐标.
在顶点着色器中添加TRANSFER_SHADOW(o)，用于将上面定义的_ShadowCoord纹理采样坐标变换到相应的屏幕空间纹理坐标，为采样阴影纹理使用.
在片断着色器中添加UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos)，其中atten即存储了采样后的阴影.

  Pass
      {
         // 采样阴影的时候需要修改渲染路径为 ForwarBase (因为拉近拉远时出现阴影消失的问题)
         Tags { &#34;LightMode&#34;=&#34;ForwardBase&#34; }

         CGPROGRAM
         #pragma vertex vert
         #pragma fragment frag
         // make fog work
         #pragma multi_compile_fog

         // 采样阴影时需要对应的变体开关 (这些其实是涉及调用的宏，这些宏里面有需要用到当前这些变体的状态)
         #pragma multi_compile DIRECTIONAL
         #pragma multi_compile SHADOWS_SCREEN

         #include &#34;UnityCG.cginc&#34;
         #include &#34;AutoLight.cginc&#34;

         struct appdata
         {
            float4 vertex : POSITION;
         };

         struct v2f
         {
            float4 worldPos : TEXCOORD1;
            float4 pos :SV_POSITION; // 为什么要改名pos呢？  因为TRANSFER_SHADOW 进入到实际取的是 .pos 的顶点
            // 这里取的参数实际是 TEXCOORD2 unity会自动声明一个叫_ShadowCoord的float4变量，用作阴影的采样坐标.
            // 需要引用  AutoLight.cginc
            UNITY_SHADOW_COORDS(2)
         };

         v2f vert(appdata v)
         {
            v2f o = (v2f)0;
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
            // 用于将上面定义的_ShadowCoord纹理采样坐标变换到相应的屏幕空间纹理坐标，为采样阴影纹理使用.
            TRANSFER_SHADOW(o)
            return o;
         }

         fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
         {
            // 其中atten即存储了采样后的阴影.
            UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos)
            return atten;
         }
         ENDCG
      }

左侧是unity内置的默认shader，右侧是粗糙实现的阴影采样。从图中很明显看到，虽然阴影的位置大致是一样的，但是颜色却很明显不一样。atten 采样得到的是非黑即白的简单阴影数据。
搜索 UNITY_LIGHT_ATTENUATION 相关的阴影采样，在 UnityStandardCore.cginc 能看到比较复杂的计算。阴影采样得到的 atten ，还需要加入到一系列的计算中，最后才得到一个物体的最终颜色，这个颜色包括物体自己以及接收的阴影颜色。
half4 fragForwardBaseInternal (VertexOutputForwardBase i)
{
UNITY_APPLY_DITHER_CROSSFADE(i.pos.xy);

FRAGMENT_SETUP(s)

UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);
UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(i);

UnityLight mainLight = MainLight ();
UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, s.posWorld);

half occlusion = Occlusion(i.tex.xy);
UnityGI gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight);

half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.smoothness, s.normalWorld, -s.eyeVec, gi.light, gi.indirect);
c.rgb += Emission(i.tex.xy);

UNITY_EXTRACT_FOG_FROM_EYE_VEC(i);
UNITY_APPLY_FOG(_unity_fogCoord, c.rgb);
return OutputForward (c, s.alpha);
}
以上是unity 阴影的简单使用，需要了解阴影生成的原理和细节，需要进一步了解计算机图形学的渲染知识才行。

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