Unity移动端动态阴影

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

基于Cubemap的动态软阴影

ARM公司曾利用Unity开发过两款技术Demo（Ice Cave 和 Chess Room），里面充分发挥了Cubemap的强大威力—既用来做地面反射、冰块折射，还用来做动态软阴影，利用简单的技术做出了高品质的画面。下面是Ice Cave的效果：

其中反射、折射部分参考：Reflections Based on Local Cubemaps in Unity、ARM Guide for Unity Developers，下面主要介绍下软阴影部分原理。

以此国际象棋屋为例，屋子中间放置一个Reflect probe来拍摄周围环境，只用了Cubemap的RGB通道，而周围环境的Alpha其实也代表了光是穿透了窗户还是被墙壁遮挡，那就可以利用Cubemap剩余的Alpha通道就可以来存储光和周围环境的遮挡情况，Alpha通道图如下：

生成Cubemap细节可以参考AssetStore中的源码。

利用生成的Cubemap渲染阴影主要分为两步，一是向量L（vertex-to-light）转换为Lp（校准过的vertex-to-light，用来采样Cubemap用），二是软阴影处理。

1. L到Lp向量校准：

输入参数：
_EnviCubeMapPos >> Cubemap 中心坐标
_BBoxMax >> 包围盒最大坐标，生成Cubemap时自动生成
_BBoxMin >> 包围盒最小坐标，生成Cubemap时自动生成
V： >> 顶点坐标
L： >> vertex-to-light向量，已normalized

输出参数：
Lp >> 校准后的vertex-to-light向量，作为UV去采样Cubemap

校准过程：

// 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;

先利用线和包围盒求交点，从包围盒位置到交点的向量就是Lp，然后利用Lp去采样Cubemap用于着色。

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

另外背面要特殊处理下，防止阴影穿透问题。

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

2. 软阴影：
阴影平滑的过程比较有趣，首先Cubemap过滤方式选择tri-linear filtering，然后计算vertex-to-intersection-point（顶点到交点）向量的长度，然后乘以外部传入系数：

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

为了平滑阴影，我们用texCUBElod 去采样Cubemap，其中UV的XYZ来自Lp，W来自vertex-to-intersection-point（顶点到交点）的距离。

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

下图也可以看到离窗户越远处的阴影越模糊。

这种阴影比较适合室内环境、点光源位置不变、内部有移动物体的情况。

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地面云阴影

对于地面上云阴影，用实时灯光照射出阴影显然是不划算，可以直接在地面Shader中混合一个运动的云图就能达到类似效果。

我用Shaderforge拖出了一个简单的版本：

另外这种方法也可以用来做地面风雪效果。

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植物摇曳阴影

对于树、草、旗子这类位置不变但有摇曳动画的物体，可以预先把阴影烘焙到贴图中，然后把阴影图作为单独贴图、或地面贴图Alpha通道传送到地面shader中，然后只需要添加阴影晃动的特性就可以随植物晃动而晃动，伴随有一种真实阴影的感觉。另外注意阴影的方向、和植物晃动的方向同步等细节。

具体细节可以参考：手机游戏中大量植物图像的伪阴影渲染

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肆 · 结合Projector和Rendertexture的实时阴影

创建一个跟随主相机的阴影相机，改为正交投影，设置单独的shadow Layer，将需要投射阴影物体设置到shadow layer，为此阴影相机设置渲染目标到一个渲染纹理RTT_Shadow。另外创建一个Projector，为它设置一个材质Mat_Proj，并将RTT_Shadow传到Mat_Proj的shader中进行着色，另外为防止投影相机边缘的刺刺的长线，要设置一个阴影衰减纹理，如果需要软阴影则需要另外Blur。

这是最近几年手游应用比较广泛的方法，网上有很多相关文章，比如：结合Projector和Rendertexture实现实时阴影、ProjectorShadow（手游上的实时阴影方案）

另外AssetStore也有不少类似插件：Fast Shadow Projector

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角色脚下阴影面片

对于游戏中的NPC、杂兵、野怪这些非关键性角色可以直接设置一个阴影面片来模拟阴影，当然如果地面起伏比较大可能会有穿插问题。

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Light Probe

具体细节参考Unity手册不赘述了：Light Probes

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Shadow Maps

1.Standard Shadow Mapping
基本思想是在光源位置放置一个相机(Light space Camera)，画一遍深度得到深度图，在渲染场景时将pixel坐标转换Light Space计算深度，然后比较它深度和深度图中的深度，如果比深度图中深度大就意味着在阴影中，否则在被照亮。

阴影的锯齿有两类：透视导致的锯齿(Perspective alias)和投影导致的锯齿（Project alias）。

2.PCF
投影导致的锯齿是因为灯光投射方向和物体表面夹角过小时多pixel对应阴影图的一个texel，这可以通过提高阴影图的大小来解决，也可以通过Percentage Closer Filtering来柔化边缘。PCF就是在绘制时，除了绘制当前点还会对周围像素进行多次采样、混合来柔化锯齿，常用PCF有：使用随机采样实现soft shadow、泊松采样等。

3.PSM
透视导致的锯齿是因为透视的近大远小所导致的，于是就有了Perspective Shadow Map，它将整个Shadow Map的计算过程转到归一化设备空间（NDC）来计算，这就消除了近大远小的问题。下图是Standard Shadow Map和经过Perspective Shadow Map优化过的阴影，阴影明显更细致。

可是PSM本身有很大局限性，比如影子质量比较依赖视角方向、近处阴影与远处阴影Z分布过大。

4.LISPSM
在PSM的基础上又有了新的阴影技术Light Space Perspective Shadow Maps，它是在和灯光方向垂直的方向构建View Frustrum，然后将灯光、场景都转到这个View Frustrum的Perspective space，然后再计算Shadow Map，这样无论是点光、聚光、平行光就都转为平行光。

左图是Uniform（近处精度不足），中间是LISPSM（近处、远处都不错），右面是PSM（远处精度不足）。LISPSM具体细节参考：
https://www.cg.tuwien.ac.at/research/vr/lispsm/shadows_egsr2004_revised.pdf

5.VSM（方差阴影）
在使用PCF时一般不能提前对Shadow Map进行模糊处理，因为这会导致PCF计算不准，而Variance Shadow Maps则没有这样的限制。VSM存储的Shadow Map不仅包括深度，还有深度的平方，这时可以对Shadow Map做过滤，然后利用切比雪夫不等式计算出大于当前深度的概率上限，也就是阴影区的概率。切比雪夫不等式：

左图是Standard Shadow Map，右图是Variance Shadow Map，具体细节参考：Variance Shadow Mapping、VSM的demos、Matt's Variance Shadow Maps

6.CSM / PSSM
这是两种分别研究发表但是原理几乎一样的阴影技术，Unity用的就是CSM，而其中PSSM是几个中国人（Zhang F, Sun H Q, Xu L L, et al，观摩大佬风采）提出的。它们的原理如下：

a) 对摄像机视锥体内沿着Z由近到远切阴影图分为多张，而切分是两种切分规则的混合，一种是均匀切分，一种是指数切分，两者按照一定比率混合起来。

b) 对每一块分别计算一个光源投影空间内平移、缩放的矩阵cropMatrix，它可以将切分的多块移动、缩放到光源的视椎中，这个矩阵和正交投影矩阵非常像。

// 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) 针对切分的每一块渲染阴影图，一般阴影图大小一样的，比如都是1024*1024，而近处包含的场景范围比远处小，所以近处阴影图的精度会更高。

d) 渲染场景阴影

关于CSM和PSSM具体细节参考：Cascaded Shadow Maps、Parallel-split shadow maps for large-scale virtual environments、PSSM from GPU Gems 3