【Unity Shader】自定義陰影ShadowMap(一)

一、ShadowMap的原理

Shadow Mapping是一種基於影象空間的陰影實現方法，其優點是實現簡單，適應於大型動態場景；缺點是由於shadow map的解析度有限，使得陰影邊緣容易出現鋸齒（Aliasing）；以投射陰影的燈光為視點渲染得到深度圖紋理，該紋理就叫Shadow Map；第二個pass從攝像機渲染場景，並將畫素點轉化為在燈光座標系中的深度值，並與Shadow Map中的相應深度值進行比較以確定該畫素是否處於陰影區；經過這兩個pass最終就可以為場景打上陰影。

以平行光為例，在自然照射下，可以看出點A、點D在陰影之外，而點B、點C在陰影之中。其判斷的依據就是由於光線直線傳播的特性，一旦遇到遮擋物體，就會產生陰影，也就是說，在光線方向上不可見的點，就是在陰影中的點。

ShadowMap的實現主要分為兩個pass，第一個pass就是在光源位置建立一個深度攝像機，以光源位置作為視點，將每個畫素點的深度值（z-depth）也就是距離光源最近的物件距離記錄在 Z-buffer 中，生成深度圖（ Shadow Map）。

第二個pass從正常攝像機渲染場景，將每個fragment 到光源的距離和 Shadow Map 中儲存的深度值進行比較，如果大於後者則說明被其他物體遮擋處於陰影之中。

二、建立ShadowMap相機

這裡我們可以透過指令碼完成光源相機的建立，shadowmap會根據光源的不同而有所差異，直線光適合使用平行投影，點光源和聚光燈帶有位置資訊，適合使用透視投影。

public Camera CreateLightCamera（）

{

GameObject goLightCamera = new GameObject（“Shadow Camera”）；

Camera LightCamera = goLightCamera。AddComponent（）；

LightCamera。backgroundColor = Color。black；

LightCamera。clearFlags = CameraClearFlags。SolidColor；

LightCamera。orthographic = true；

LightCamera。orthographicSize = 6f；

LightCamera。nearClipPlane = 0。3f；

LightCamera。farClipPlane = 50；

LightCamera。enabled = false；

if （！LightCamera。targetTexture）

LightCamera。targetTexture = CreateTextureFor（LightCamera）；

lightDepthTexture = LightCamera。targetTexture；

Shader。SetGlobalTexture（“_LightDepthTexture”， lightDepthTexture）；

return LightCamera；

}

private RenderTexture CreateTextureFor（Camera cam）

{

// RenderTexture rt = new RenderTexture（Screen。width * qulity， Screen。height * qulity， 24， RenderTextureFormat。Default）；

RenderTexture rt = new RenderTexture（1024 * qulity，1024 * qulity， 16， RenderTextureFormat。Default）；

rt。hideFlags = HideFlags。DontSave；

return rt；

}

Update實時更新光源相機資訊，並存儲深度圖和光源方向的變換矩陣。

void Update （） {

// FitToScene；

_lightCamera。transform。parent = lightObj。transform；

_lightCamera。transform。localPosition = Vector3。zero；

_lightCamera。transform。localRotation = new UnityEngine。Quaternion（）；

Matrix4x4 projectionMatrix = GL。GetGPUProjectionMatrix（_lightCamera。projectionMatrix， true）；

Shader。SetGlobalMatrix（“_worldToLightClipMat”， projectionMatrix * _lightCamera。worldToCameraMatrix）；

_lightCamera。RenderWithShader（depthMat。shader， “”）；

}

三

、陰影計算

在接收陰影的物體上透過全域性屬性獲取變數，並將物體模型空間下的點轉化為光源裁剪空間下的點。

float4 worldPos = mul（unity_ObjectToWorld， v。vertex）；

o。lightClipPos = mul（_worldToLightClipMat， worldPos）；

取得光源座標系下的深度值。

// 取光源座標系下的深度

float4 scrPos = ComputeScreenPos（i。lightClipPos）；

float depTexture = tex2Dproj（_LightDepthTexture， scrPos）。r；

float depth = i。lightClipPos。z / i。lightClipPos。w；

#if UNITY_REVERSED_Z

depth = 1 - depth； //（1， 0）——>（0， 1）

#else

depth = depth * 0。5 + 0。5； //（-1， 1）——>（0， 1）

#endif

將攝像機的深度值和shadow map儲存的深度值相比較，如果攝像機的深度值較大，則為陰影部分。

float shadow = （depTexture）> （depth） ？ 1 ： （1-_ShadowPower）；

四、shadow bias

輸出陰影，可以發現地面陰影出現條紋鋸齒狀，這種現象，就被稱為 Shadow Acne 或者Self-Shadowing。

產生Shadow acne的根本原因就是 shadow depth map 的解析度不夠，因此多個 pixel 會對應 map 上的同一個點。

圖中黃色箭頭是照射的光線，黑色長方形是實際物體表面，黃色的波浪線是 shadow map中的對應值的情況。

可以看到，由於map是對場景的離散取樣，所以黃色的線段呈階梯狀的波浪變化，相對於實際場景中的情況，就有一部分比實際場景中的深度要大（對應著黑色線段部分），著部分不會產生陰影（注意圖畫反了）；一部分比實際場景中的深度要小（對應著黃色線段部分），這部分會產生陰影，所以就出現了條紋狀的陰影。由於這種情況，是物體的實際深度，與自己的取樣深度，相比較不相等（實際深度大於取樣深度）導致的，所以是自己（取樣的副本）遮擋了自己（實際的物體），所以被稱為 self shadowing。

解決辦法：只有實際深度大於取樣深度的時候會出現這一現象，那麼在計算實際深度的時候，往燈光方向拉一點，讓他減小一點就可以解決。即給 Shadow map 中儲存的深度值增加一個偏移值（Depth bias）

當我們計算深度加入偏移值時，若偏移值過大，會導致物體計算影子時的深度與實際深度差別太大，使底部陰影無法顯示，導致影子和物體產生了分離。

因此，我們需要控制偏移值的大小在合理的範圍內，這裡基於物體表面和光照的夾角的大小來控制bias，計算公式如下，miniBais+maxBais∗SlopeScaleminiBais+maxBais∗SlopeScale ， 其中SlopeScaleSlopeScale可以理解為光線方向與表面法線方向夾角的tan值。

float GetShadowBias（float3 lightDir ， float3 normal ， float maxBias ， float baseBias）

{

float cos_val = saturate（dot（lightDir， normal））；

float sin_val = sqrt（1 - cos_val*cos_val）； // sin（acos（L·N））

float tan_val = sin_val / cos_val； // tan（acos（L·N））

float bias = baseBias + clamp（tan_val，0 ， maxBias） ；

return bias ；

}

//獲得偏移量

float bais=GetShadowBias（worldLightDir，worldNormal，0。002，0。0002）；

也可以根據法線方向和光線方向計算：

float bias = max（0。05 * （1。0 - dot（normal， lightDir））， 0。005）；

最後將shadowmap外的shadow值設為1，使其不受陰影。

float shadow = （depTexture + bais ）> （depth） ？ 1 ： （1-_ShadowPower）；

float2 uv = i。lightClipPos。xy / i。lightClipPos。w；

uv = uv * 0。5 + 0。5； // （-1，1）->（0，1）

if （uv。x > 1 || uv。y > 1 || uv。x < 0 || uv。y < 0）

shadow=1；

最終得到正常的陰影影象。

五、PCF

解決完shadow acne後，放大陰影邊緣就會看到這種鋸齒現象，其主要原因還在於shadow map的解析度。物體多個點會採集深度紋理同一個點進行陰影計算。這個問題一般可以透過濾波緊進行處理，比如多重取樣。

Pencentage close Filtering（PCF）

，最簡單的一種處理方式，當前點是否為陰影區域需要考慮周圍頂點的情況，處理中需要對當前點周圍幾個畫素進行採集，而且這個採集單位越大PCF的效果會越好，當然效能也越差。現在的GPU一般支援2*2的PCF濾波， 也就是Unity設定中的Hard Shadow 。

//PCF濾波

float PercentCloaerFilter（float2 xy ， float sceneDepth ， float bias）

{

float shadow = 0。0；

float2 texelSize = float2（_TexturePixelWidth，_TexturePixelHeight）；

texelSize = 1 / texelSize；

for（int x = -_FilterSize； x <= _FilterSize； ++x）

{

for（int y = -_FilterSize； y <= _FilterSize； ++y）

{

float2 uv_offset = float2（x ， y） * texelSize；

float depth = DecodeFloatRGBA（tex2D（_LightDepthTex， xy + uv_offset））；

shadow += （sceneDepth - bias > depth ？ 1。0 ： 0。0）；

}

}

float total = （_FilterSize * 2 + 1） * （_FilterSize * 2 + 1）；

shadow /= total；

return shadow；

}

參考