Unity Shader 学习笔记（14） 阴影

Unity Shader 学习笔记（14） 阴影

参考书籍：《Unity Shader 入门精要》

【常见问题】Unity阴影和深度纹理的补充说明（重要）

*版本：2017.1.1f1

阴影

实现原理

　　使用Shadow Map技术。把摄像机与光源位置重合，光源的阴影部分就是摄像机看不到的地方。

　　前向渲染路径中，最重要的平行光如果开启了阴影，Unity就会为光源计算阴影映射纹理（shadowmap），本质就是深度图，记录光源出发到最近表面位置。两种方法：

1. 摄像机放在光源位置，然后按正常渲染流程（调用Base Pass 和 Additional Pass）来更新深度信息，得到阴影映射纹理。

2. 摄像机放在光源位置，调用额外的Pass：LightMode = ShadowCaster，把顶点变换到光源空间，渲染目标不是帧缓存，而是阴影映射纹理。

阴影采样

传统方法：

正常渲染Pass，计算顶点的光源空间，用xy分量对纹理采样，如果顶点值大于该深度值，就说明在阴影区域。

Unity5及以后：

屏幕空间的阴影映射技术（Screenapce Shadow Map）。是在延迟渲染中产生阴影的方法。不过需要显卡支持MRT。根据阴影映射纹理和深度纹理得到屏幕空间的阴影图。阴影图包含了屏幕空间所有阴影区域。

接收其他物体阴影

　　在Shader中对阴影映射纹理（包括屏幕空间的阴影图）进行采样，结果和最后的光照相乘即可。

向其他物体投射阴影

　　把物体加入到光源的阴影映射纹理计算中（让其他物体可以得到该物体信息），即执行LightMode 为 ShadowCaster的Pass。

具体实现

使用AutoLight.cginc文件内的三个宏：

- SHADOW_COORDS：声明了一个名为

_ShadowCoord

的阴影纹理坐标变量。

- TRANSFER_SHADOW：根据不同平台实现。如果使用了屏幕空间的阴影映射技术，会使用内置

ComputeScreenPos

函数计算

_ShadowCoord

；否则就直接把顶点转换到光源空间存到

_ShadowCoord

。

- SHADOW_ATTENUATION：对

_ShadowCoord

采样，得到阴影信息。

需要注意：内置宏用了一些变量名需要在自己定义的时候要匹配：a2f的顶点坐标为vertex，输出的v2f结构体名为v，v2f中顶点位置名为pos。

计算阴影深度，绘制深度纹理：



绘制阴影：



最后图形：



BasePass：

...

#include "AutoLight.cginc"          // 计算阴影的宏

...

struct v2f {
...
// 对阴影纹理采样的坐标，参数为下一个可用插值寄存器的索引值（前面TEXCOORD0和1，所以这里是2）
SHADOW_COORDS(2)
};

v2f vert(a2v v) {
...
// 计算阴影纹理坐标
TRANSFER_SHADOW(o);
return o;
}

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
...
// 计算阴影值
fixed shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);
return fixed4(ambient + (diffuse + specular) * atten * shadow, 1.0);
}

衰减和阴影统一管理

　　使用AutoLight.cginc的内置宏UNITY_LIGHT_ATTENUATION，不再需要自己判断光源类型等，也不用在BasePass中单独处理阴影。如果Additional Pass需要添加阴影，用

#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows

命令。

　　第一个参数变量名，宏会创建这个名字的变量；第二个参数为v2f结构体，用来计算阴影；第三个参数是世界空间的坐标，计算光照衰减。

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
... // 不需要定义atten，下面宏会自己定义

// 使用内置宏同时计算光照衰减和阴影。自动声明atten变量。
UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);

return fixed4(ambient + (diffuse + specular) * atten, 1.0);
}

部分源码如下。可以看到点光源、聚光灯、平行光的计算。后面还有部分代码是根据是否启用cookie的情况做不同版本的宏。

透明物体的阴影

透明测试与阴影

如果直接使用FallBack默认回调（VertexLit、Diffuse、Specular），往往无法得到正确的阴影，因为在透明测试中某些片元丢弃了，而默认回调没有进行这样的处理。可以使用回调

Transparent/Cutout/VertexLit

。可见源文件Alpha-VertexLit.shader。

第一个：FallBack “Transparent/VertexLit”；第二个：FallBack “Transparent/Cutout/VertexLit”；第三个：基于第二个同时在MeshRenderer的Cast Shadows选择Two Sided。

透明混合与阴影

由于需要关闭深度写入，阴影处理变得复杂，所以内置半透明的Shader都是没有阴影效果的。可以修改Fallback为VertexLit、Diffuse等不透明物体用的UnityShader。

默认不投射不接收阴影（FallBack “Transparent/VertexLit”）：



强制接收阴影（FallBack “VertexLit”），但不能透过立方体看到后面墙壁的阴影：

半透明阴影

原文见这里。

实现原理：对物体剔除一些片元（挖洞），通过洞的密度和大小，伪造出阴影的透明效果，实际阴影颜色没有改变。

_DitherMaskLOD

就是用来计算哪些地方挖洞的纹理。

关键代码：

tex3D(_DitherMaskLOD, float3(vpos.xy_0.25,alpha_0.9375)).a

。