Unity中的shadows（一）

ecolor · 发表于 2023-3-25 21:57

Unity中的阴影针对不同的光源类型，平行光，点光源，聚光灯有不同的处理方式，casting和receiving的实现都有些区别。我们根据光源类型的不同详细看一下具体的实现。
平行光阴影

如图中所示场景，有两个平行光源，我们打开frame debug查看一下：

可以看到，对于平行光产生的阴影，Unity使用screen space shadow map来保存阴影信息。
首先，Unity对整个场景跑了一遍深度pass，记录场景的深度信息：

Unity在这一阶段定义了SHADOWS_DEPTH关键字，并且把ColorMask设置为0，意思是不会输出任何颜色。另外，只有object的shader中包含ShadowCaster标签，才会跑一遍该pass。ShadowCaster的代码可以很简单：
float4 MyShadowVertexProgram (VertexData v) : SV_POSITION {
return UnityObjectToClipPos(v.position);
}

half4 MyShadowFragmentProgram () : SV_TARGET {
return 0;
}我们并不需要返回深度信息，z的值引擎底层会记录下来。
screen space的深度图有了之后，Unity会基于每个平行光源渲染一张shadow map，简单来说，就是把平行光源当作一个摄像机，做一次正交投影，将场景中物体的深度信息记录在shadow map上。
之后，Unity会做一次Collect Shadows阴影收集过程，用之前深度图中每个pixel的深度信息，将其重建回世界坐标系下，然后变换到光源空间，对之前光源空间渲染的shadow map进行采样。shadow map采样出的信息就是被光源照射到最近物体的深度，通过比较两个在光源空间下的深度信息，就可以判断出当前pixel是否在阴影内，如果在阴影内则输出0，能被光源照亮则输出1。每个平行光源都对应一张各自的screen space shadow map。
聚光灯阴影

如图中所示场景，有两个聚光灯光源，我们打开frame debug查看一下：

可以看到，与平行光相比，少了深度pass，还有阴影收集的过程，Unity就只是简单地把光源空间内的物体渲染到shadow map上。
点光源阴影

这次场景中有两个点光源，打开frame debug：

可以看到，点光源渲染阴影所用到的pass数量非常多，一个点光源可能需要6次阴影pass，这是因为点光源的shadow map不是一张贴图，而是一个cube map。Unity为点光源阴影定义了SHADOWS_CUBE关键字。
另外值得注意的是，ShadowCaster的pass需要添加如下定义：
#pragma multi_compile_shadowcaster用Visual Studio可以看到具体的keywords：
// -----------------------------------------
// Snippet #2 platforms ffffffff:
Builtin keywords used: SHADOWS_DEPTH SHADOWS_CUBE

2 keyword variants used in scene:

SHADOWS_DEPTH
SHADOWS_CUBE如果要为主平行光（base pass）添加阴影，需要添加SHADOWS_SCREEN关键字：
#pragma multi_compile _ SHADOWS_SCREEN如果要想为第二个平行光，点光源，或者聚光灯（即add pass)添加阴影，则需要如下定义：
#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows用Visual Studio可以看到具体的keywords：
// -----------------------------------------
// Snippet #1 platforms ffffffff:
Builtin keywords used: POINT DIRECTIONAL SPOT POINT_COOKIE DIRECTIONAL_COOKIE SHADOWS_SHADOWMASK LIGHTMAP_SHADOW_MIXING SHADOWS_DEPTH SHADOWS_SOFT SHADOWS_SCREEN SHADOWS_CUBE

13 keyword variants used in scene:

POINT
DIRECTIONAL
SPOT
POINT_COOKIE
DIRECTIONAL_COOKIE
SHADOWS_DEPTH SPOT
SHADOWS_DEPTH SHADOWS_SOFT SPOT
DIRECTIONAL SHADOWS_SCREEN
DIRECTIONAL_COOKIE SHADOWS_SCREEN
POINT SHADOWS_CUBE
POINT SHADOWS_CUBE SHADOWS_SOFT
POINT_COOKIE SHADOWS_CUBE
POINT_COOKIE SHADOWS_CUBE SHADOWS_SOFT阴影设置参数

在Unity的project settings中的quality项，有如下的若干有关阴影的设置：

Shadows有3个选项，一是完全关闭阴影，二是只使用hard shadows，三是hard shadows和soft shadows都使用。使用软阴影的好处是阴影的边缘更加光滑，减少锯齿。根据不同的选项，以平行光源为例，unity会在收集阴影阶段使用不同的subshader绘制screen space shadow map：

只使用hard shadows

使用soft shadows

Shadow Distance控制阴影显示的距离，太远的物体往往没有显示阴影的必要，通过控制距离可以降低绘制的draw call：

shadow distance设置为100

shadow distance设置为10

可以看出，超过阴影显示距离的物体，在光源绘制shadow map时直接就跳过了。
Shadow Cascade控制是否开启级联阴影，以及级联的数量和区域划分。级联阴影的好处是可以根据物体距离的远近，生成不同分辨率的shadow map，近的物体对高分辨率的shadow map进行采样，得到更多的阴影的细节，远的物体只用对低分辨率的shadow map采样即可，避免不必要的性能浪费。不同分辨率的shadow map在阴影收集阶段同样会被绘制到一张screen space shadow map上，因此只是在光源空间渲染shadow map时，draw call会根据选择级联的数量翻倍：

级联数量设置为4

Shadow Projection控制级联阴影的区域生成方式。Close Fit利用摄像机的深度信息来计算区域，而Stable Fit利用到摄像机位置的距离信息来计算区域。在scene窗口下，可以选择Miscellaneous / Shadow Cascades来显示级联阴影区域：

选择Close Fit

选择Stable Fit

Stable Fit的区域通常更稳定，不会受摄像机自身的位置和旋转影响：

Stable Fit

Close Fit

Shadow Acne

由于shadow map的精度问题，shadow map上的一个pixel，实际上是对应了场景上的一片区域。而这片区域中的所有点，在shadow caster阶段，都会去取shadow map同一个pixel的深度值，当这个深度值与区域中的所有点的深度值相近的时候，就会出现一部分点比较深度后，在阴影中，而另一部分点却不在阴影中，导致场景中会出现明显的明暗条纹：

从数学角度上来看，如图所示：

EF为shadw map采样的深度，那么CF区域中的点由于深度都小于EF，因此不在阴影中；而DF区域中的点深度大于EF，会被判定在阴影中。
为了解决这一问题，可以在渲染shadow map的时候人为加上偏移，让阴影位于物体之后。这个偏移就被称作shadow bias。
常用的shadow bias有两种，depth bias和normal bias。depth bias顾名思义，就是在shadow caster阶段，将物体沿着相机空间的z方向往后偏移：

可以看到，我们将CD区域沿着相机空间的z方向平移到了GI区域。此时shadow map采样到的深度值为EH，它等于BD。这样，CD区域中所有的点深度都不会大于EH（因为最大的深度也就是BD，而BD等于EH），从而保证了CD区域中的所有点都不会判定在阴影中，也就可以消除shadow acne。这里，depth bias的值就是CG的大小。
normal bias是在shadow caster阶段，将物体沿着自身的法线方向往后偏移：

原理与depth bias类似，这里normal bias的值就是CG的大小。
shadow bias的参数可以在光源的属性中进行调整：

Reference

[1] Shadows
[2] 自适应Shadow Bias算法
本文是Unity中的shadows系列的第一篇文章，如果你觉得我的文章有帮助，欢迎关注我的微信公众号（大龄社畜的游戏开发之路）^-^

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