Unity移動端動態陰影

譯文: https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems3/gpugems3_ch10.html

基於Cubemap的動態軟陰影

ARM公司曾利用Unity開發過兩款技術Demo（Ice Cave 和 Chess Room），裡面充分發揮了Cubemap的強大威力—既用來做地面反射、冰塊折射，還用來做動態軟陰影，利用簡單的技術做出了高品質的畫面。下面是Ice Cave的效果：

其中反射、折射部分參考：Reflections Based on Local Cubemaps in Unity、ARM Guide for Unity Developers，下面主要介紹下軟陰影部分原理。

以此國際象棋屋為例，屋子中間放置一個Reflect probe來拍攝周圍環境，只用了Cubemap的RGB通道，而周圍環境的Alpha其實也代表了光是穿透了窗戶還是被牆壁遮擋，那就可以利用Cubemap剩餘的Alpha通道就可以來儲存光和周圍環境的遮擋情況，Alpha通道圖如下：

生成Cubemap細節可以參考AssetStore中的原始碼。

利用生成的Cubemap渲染陰影主要分為兩步，一是向量L（vertex-to-light）轉換為Lp（校準過的vertex-to-light，用來取樣Cubemap用），二是軟陰影處理。

1. L到Lp向量校準：

輸入引數：
_EnviCubeMapPos >> Cubemap 中心座標
_BBoxMax >> 包圍盒最大座標，生成Cubemap時自動生成
_BBoxMin >> 包圍盒最小座標，生成Cubemap時自動生成
V： >> 頂點座標
L： >> vertex-to-light向量，已normalized

輸出引數：
Lp >> 校準後的vertex-to-light向量，作為UV去取樣Cubemap

校準過程：

// Working in World Coordinate System.
vec3 intersectMaxPointPlanes = (_BBoxMax - V) / L;
vec3 intersectMinPointPlanes = (_BBoxMin - V) / L;
// Looking only for intersections in the forward direction of the ray.    
vec3 largestRayParams = max(intersectMaxPointPlanes, intersectMinPointPlanes);
// Smallest value of the ray parameters gives us the intersection.
float dist = min(min(largestRayParams.x, largestRayParams.y), largestRayParams.z);
// Find the position of the intersection point.
vec3 intersectPositionWS = V + L * dist;
// Get the local corrected vector.
Lp = intersectPositionWS - _EnviCubeMapPos;

先利用線和包圍盒求交點，從包圍盒位置到交點的向量就是Lp，然後利用Lp去取樣Cubemap用於著色。

float shadow = texCUBE(cubemap, Lp).a;

另外背面要特殊處理下，防止陰影穿透問題。

if (dot(L,N) < 0)
  shadow = 0.0;
shadow *= max(dot(L, N), 0.0);

2. 軟陰影：
陰影平滑的過程比較有趣，首先Cubemap過濾方式選擇tri-linear filtering，然後計算vertex-to-intersection-point（頂點到交點）向量的長度，然後乘以外部傳入係數：

float texLod = length(IntersectPositionWS - V);
texLod *= distanceCoefficient;

為了平滑陰影，我們用texCUBElod 去取樣Cubemap，其中UV的XYZ來自Lp，W來自vertex-to-intersection-point（頂點到交點）的距離。

Lp.w = texLod;
shadow = texCUBElod(cubemap, Lp).a;

下圖也可以看到離窗戶越遠處的陰影越模糊。

這種陰影比較適合室內環境、點光源位置不變、內部有移動物體的情況。

地面雲陰影

對於地面上雲陰影，用實時燈光照射出陰影顯然是不划算，可以直接在地面Shader中混合一個運動的雲圖就能達到類似效果。

我用Shaderforge拖出了一個簡單的版本：

另外這種方法也可以用來做地面風雪效果。

植物搖曳陰影

對於樹、草、旗子這類位置不變但有搖曳動畫的物體，可以預先把陰影烘焙到貼圖中，然後把陰影圖作為單獨貼圖、或地面貼圖Alpha通道傳送到地面shader中，然後只需要新增陰影晃動的特性就可以隨植物晃動而晃動，伴隨有一種真實陰影的感覺。另外注意陰影的方向、和植物晃動的方向同步等細節。

具體細節可以參考：手機遊戲中大量植物影象的偽陰影渲染

肆 · 結合Projector和Rendertexture的實時陰影

建立一個跟隨主相機的陰影相機，改為正交投影，設定單獨的shadow Layer，將需要投射陰影物體設定到shadow layer，為此陰影相機設定渲染目標到一個渲染紋理RTT_Shadow。另外建立一個Projector，為它設定一個材質Mat_Proj，並將RTT_Shadow傳到Mat_Proj的shader中進行著色，另外為防止投影相機邊緣的刺刺的長線，要設定一個陰影衰減紋理，如果需要軟陰影則需要另外Blur。

這是最近幾年手遊應用比較廣泛的方法，網上有很多相關文章，比如：結合Projector和Rendertexture實現實時陰影、ProjectorShadow（手游上的實時陰影方案）

另外AssetStore也有不少類似外掛：Fast Shadow Projector

角色腳下陰影面片

對於遊戲中的NPC、雜兵、野怪這些非關鍵性角色可以直接設定一個陰影面片來模擬陰影，當然如果地面起伏比較大可能會有穿插問題。

Light Probe

具體細節參考Unity手冊不贅述了：Light Probes

Shadow Maps

1.Standard Shadow Mapping
基本思想是在光源位置放置一個相機(Light space Camera)，畫一遍深度得到深度圖，在渲染場景時將pixel座標轉換Light Space計算深度，然後比較它深度和深度圖中的深度，如果比深度圖中深度大就意味著在陰影中，否則在被照亮。

陰影的鋸齒有兩類：透視導致的鋸齒(Perspective alias)和投影導致的鋸齒（Project alias）。

2.PCF
投影導致的鋸齒是因為燈光投射方向和物體表面夾角過小時多pixel對應陰影圖的一個texel，這可以通過提高陰影圖的大小來解決，也可以通過Percentage Closer Filtering來柔化邊緣。PCF就是在繪製時，除了繪製當前點還會對周圍畫素進行多次取樣、混合來柔化鋸齒，常用PCF有：使用隨機取樣實現soft shadow、泊松取樣等。

3.PSM
透視導致的鋸齒是因為透視的近大遠小所導致的，於是就有了Perspective Shadow Map，它將整個Shadow Map的計算過程轉到歸一化裝置空間（NDC）來計算，這就消除了近大遠小的問題。下圖是Standard Shadow Map和經過Perspective Shadow Map優化過的陰影，陰影明顯更細緻。

可是PSM本身有很大侷限性，比如影子質量比較依賴視角方向、近處陰影與遠處陰影Z分佈過大。

4.LISPSM
在PSM的基礎上又有了新的陰影技術Light Space Perspective Shadow Maps，它是在和燈光方向垂直的方向構建View Frustrum，然後將燈光、場景都轉到這個View Frustrum的Perspective space，然後再計算Shadow Map，這樣無論是點光、聚光、平行光就都轉為平行光。

左圖是Uniform（近處精度不足），中間是LISPSM（近處、遠處都不錯），右面是PSM（遠處精度不足）。LISPSM具體細節參考：
https://www.cg.tuwien.ac.at/research/vr/lispsm/shadows_egsr2004_revised.pdf

5.VSM（方差陰影）
在使用PCF時一般不能提前對Shadow Map進行模糊處理，因為這會導致PCF計算不準，而Variance Shadow Maps則沒有這樣的限制。VSM儲存的Shadow Map不僅包括深度，還有深度的平方，這時可以對Shadow Map做過濾，然後利用切比雪夫不等式計算出大於當前深度的概率上限，也就是陰影區的概率。切比雪夫不等式：

左圖是Standard Shadow Map，右圖是Variance Shadow Map，具體細節參考：Variance Shadow Mapping、VSM的demos、Matt's Variance Shadow Maps

6.CSM / PSSM
這是兩種分別研究發表但是原理幾乎一樣的陰影技術，Unity用的就是CSM，而其中PSSM是幾個中國人（Zhang F, Sun H Q, Xu L L, et al，觀摩大佬風采）提出的。它們的原理如下：

a) 對攝像機視錐體內沿著Z由近到遠切陰影圖分為多張，而切分是兩種切分規則的混合，一種是均勻切分，一種是指數切分，兩者按照一定比率混合起來。

b) 對每一塊分別計算一個光源投影空間內平移、縮放的矩陣cropMatrix，它可以將切分的多塊移動、縮放到光源的視椎中，這個矩陣和正交投影矩陣非常像。

// Build a matrix for cropping light's projection
   // Given vectors are in light's clip space
Matrix Light::CalculateCropMatrix(Frustum splitFrustum)
{
  Matrix lightViewProjMatrix = viewMatrix * projMatrix;
  // Find boundaries in light's clip space
  BoundingBox cropBB = CreateAABB(splitFrustum.AABB,
                                  lightViewProjMatrix);
  // Use default near-plane value
  cropBB.min.z = 0.0f;
  // Create the crop matrix
  float scaleX, scaleY, scaleZ;
  float offsetX, offsetY, offsetZ;
  scaleX = 2.0f / (cropBB.max.x - cropBB.min.x);
  scaleY = 2.0f / (cropBB.max.y - cropBB.min.y);
  offsetX = -0.5f * (cropBB.max.x + cropBB.min.x) * scaleX;
  offsetY = -0.5f * (cropBB.max.y + cropBB.min.y) * scaleY;
  scaleZ = 1.0f / (cropBB.max.z - cropBB.min.z);
  offsetZ = -cropBB.min.z * scaleZ;
  return Matrix( scaleX,     0.0f,     0.0f,  0.0f,
                   0.0f,   scaleY,     0.0f,  0.0f,
                   0.0f,     0.0f,   scaleZ,  0.0f,
                offsetX,  offsetY,  offsetZ,  1.0f);
}

c) 針對切分的每一塊渲染陰影圖，一般陰影圖大小一樣的，比如都是1024*1024，而近處包含的場景範圍比遠處小，所以近處陰影圖的精度會更高。

d) 渲染場景陰影

關於CSM和PSSM具體細節參考：Cascaded Shadow Maps、Parallel-split shadow maps for large-scale virtual environments、PSSM from GPU Gems 3