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title: RED阴影系统
date: 2026-05-03 00:00:00
excerpt: 动态/静态阴影分离着色系统，ARC 卡通渲染的核心阴影方案
tags:
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# RED 阴影系统

返回 [[Rendering]]

## 概述

RED 阴影系统是 ARC 引擎卡通渲染的核心机制。它将传统 Deferred Lighting 中的阴影处理替换为**阴影着色（Shadow Coloring）**方案——阴影区域不是简单地变暗，而是使用指定的"阴影颜色"进行着色，这是实现赛璐珞风格卡通渲染的关键技术。

## 核心思路

传统 PBR 阴影：`最终颜色 = 光照颜色 × 阴影衰减`
RED 阴影系统：`最终颜色 = lerp(阴影颜色, 光照颜色, 阴影系数)`

同时将**动态阴影**（Shadow Map）和**静态阴影**（Lightmap / Distance Field Shadow）分离处理，允许独立控制两种阴影的着色效果。

## 实现细节

### 1. 入口函数 REDDirectionalPixelMain

在 `DeferredLightPixelShaders.usf` 中新增独立的方向光入口：

```hlsl
// ASW Change : 2016/10/12 21:35:18 Takuro.K
void REDDirectionalPixelMain(
    float2 InUV : TEXCOORD0,
    float3 ScreenVector : TEXCOORD1,
    float4 SVPos : SV_POSITION,
    out float4 OutColor : SV_Target0 )
{
    // ... 读取 GBuffer、计算光照衰减 ...
    OutColor = REDGetShadowColor(
        WorldPosition, CameraVector, ScreenSpaceData.GBuffer,
        ScreenSpaceData.AmbientOcclusion,
        ScreenSpaceData.GBuffer.ShadingModelID,
        LightData, GetPerPixelLightAttenuation(InUV),
        Random, DynamicShadowShade);
}
```

`DynamicShadowShade` 是一个 uniform 参数，控制动态阴影的明暗程度。

### 2. 阴影项分离 REDGetShadowTerms

在 `DeferredLightingCommon.ush` 中将阴影分解为动态和静态两个独立项：

```hlsl
void REDGetShadowTerms(
    FGBufferData GBuffer, FDeferredLightData LightData,
    float3 WorldPosition, float4 LightAttenuation,
    out float DynamicShadowTerm, out float StaticShadowTerm)
{
    // 动态阴影：来自 Shadow Map
    float DynamicShadowFraction = DistanceFromCameraFade(...);
    DynamicShadowTerm = min(
        lerp(LightAttenuation.x, 1.0f, DynamicShadowFraction),
        StaticShadowing);

    // 静态阴影：来自 Lightmap / Distance Field
    StaticShadowTerm = StaticShadowing;
}
```

### 3. 阴影着色 REDGetShadowColor

核心函数——使用 `DiffuseColor`（存储在 GBufferD 的 CustomData 中）作为阴影颜色：

```hlsl
float4 REDGetShadowColor(...)
{
    float DynamicShadow, StaticShadow;
    REDGetShadowTerms(GBuffer, LightData, WorldPosition,
        LightAttenuation, DynamicShadow, StaticShadow);

    // 动态阴影颜色 = DiffuseColor × DynamicShadowShade
    float3 DynamicShadowColor = GBuffer.DiffuseColor * DynamicShadowShade;

    // 静态阴影颜色 = DiffuseColor（不额外缩放）
    float3 StaticShadowColor = GBuffer.DiffuseColor;
    StaticShadowColor = lerp(StaticShadowColor, float3(1,1,1), StaticShadow);

    return float4(
        lerp(DynamicShadowColor, StaticShadowColor, DynamicShadow), 0.0f);
}
```

### 4. PointLight 的 CustomData 使用

点光源渲染时，将 CustomData（原本存储轮廓线 ID 等数据）重新解释为 DiffuseColor：

```hlsl
// ASW Change : 2020/01/14 20:19:00 Takeshi.N
ScreenSpaceData.GBuffer.DiffuseColor.rgb = ScreenSpaceData.GBuffer.CustomData.rgb;
```

## C++ 端支持

在 `LightRendering.cpp` 中：
- 新增 `REDDeferredLightPS` Pixel Shader 类，绑定 `DynamicShadowShade` 参数
- 点光源通过 `bPointLightRED` 排序键控制渲染顺序（排在方向光之后）
- `RED_CUSTOM_LIGHTING` 宏控制是否启用自定义光照路径

## 关联文档

- [[RED自定义数据通道]] — DiffuseColor 如何写入 GBufferD
- [[自定义光照Pass]] — REDDeferredLightPS 的 C++ 绑定
- [[BGMultColor全局色调]] — 场景全局色调叠加

## 完整代码解析

### DeferredLightPixelShaders.usf

#### DynamicShadowShade uniform 声明

```hlsl
// ASW Change : 2019/02/05 20:37:00 Takeshi.N
// 动态阴影明暗控制参数，从 C++ 端传入
// 0.0 = 动态阴影区域完全黑色
// 1.0 = 无动态阴影变暗效果
float DynamicShadowShade;
```

#### REDDirectionalPixelMain — 方向光阴影着色入口

```hlsl
// ASW Change : 2016/10/12 21:35:18 Takuro.K
// 专用的方向光阴影着色 Pixel Shader 入口
// 与标准 DeferredLightPixelMain 并行存在，由 C++ 端选择调用
void REDDirectionalPixelMain(
    float2 InUV : TEXCOORD0,         // 屏幕空间 UV
    float3 ScreenVector : TEXCOORD1, // 屏幕空间到世界空间的方向向量
    float4 SVPos : SV_POSITION,      // 屏幕位置
    out float4 OutColor : SV_Target0 // 输出：阴影颜色（不是光照颜色）
    )
{
    OutColor = float4(1,1,1,0);      // 默认白色 = 无阴影
    float3 CameraVector = normalize(ScreenVector);
    FScreenSpaceData ScreenSpaceData = GetScreenSpaceData(InUV);

    // 只处理使用 Deferred Shading 的像素（ShadingModelID > 0）
    BRANCH if( ScreenSpaceData.GBuffer.ShadingModelID > 0
#if USE_LIGHTING_CHANNELS
        && (GetLightingChannelMask(InUV) & DeferredLightUniforms.LightingChannelMask)
#endif
        )
    {
        float SceneDepth = CalcSceneDepth(InUV);
        // 从屏幕空间重建世界坐标
        float3 WorldPosition = ScreenVector * SceneDepth + View.WorldCameraOrigin;
        FDeferredLightData LightData = SetupLightDataForStandardDeferred();

        // 生成随机数用于阴影抖动
        uint2 Random = ScrambleTEA( uint2( SVPos.xy ) );
        Random.x ^= View.Random;
        Random.y ^= View.Random;

        // 核心：调用 REDGetShadowColor 计算阴影着色
        // 注意输出的是"阴影颜色"而非"光照颜色"
        OutColor = REDGetShadowColor(
            WorldPosition, CameraVector,
            ScreenSpaceData.GBuffer,
            ScreenSpaceData.AmbientOcclusion,
            ScreenSpaceData.GBuffer.ShadingModelID,
            LightData,
            GetPerPixelLightAttenuation(InUV),
            Random,
            DynamicShadowShade);  // 传入动态阴影明暗参数
    }
}
```

#### 点光源 CustomData 覆写

```hlsl
// ASW Change : 2020/01/14 20:19:00 Takeshi.N
// 点光源渲染时，将 GBufferD 中存储的 CustomData 重新解释为 DiffuseColor
// 这样点光源的阴影着色可以使用与方向光相同的机制
ScreenSpaceData.GBuffer.DiffuseColor.rgb = ScreenSpaceData.GBuffer.CustomData.rgb;
```

#### 点光源 BGMultColor 应用

```hlsl
// ASW Change : 2020/07/07 16:41:00 Takeshi.N
// 对点光源输出应用全局色调调制
OutColor.rgb *= View.BGMultColor.rgb;                                    // RGB 颜色乘算
float Grayscale = dot(OutColor.rgb, float3(0.299f, 0.587f, 0.114f));    // 计算亮度
OutColor.rgb = lerp(                                                     // 饱和度控制
    float3(Grayscale, Grayscale, Grayscale),  // 灰度版本
    OutColor.rgb,                              // 原色版本
    View.BGMultColor.a);                       // A 通道控制饱和度
```

### DeferredLightingCommon.ush

#### 阴影合成修改

```hlsl
// ASW Change : 2018/11/13 17:13:00 Takeshi.N
// 原始公式：Shadow = lerp(DynamicShadow, StaticShadow, FadeFraction)
//   问题：距离远时 DynamicShadow 淡出后只剩 StaticShadow，
//         但动态阴影区域可能比静态阴影更暗（StaticShadow=1），导致阴影突然消失
//
// 新公式：Shadow = min(lerp(DynamicShadow, 1.0, FadeFraction), StaticShadow)
//   效果：动态阴影淡出后取 min(1.0, StaticShadow) = StaticShadow
//         动态阴影存在时取 min(DynamicShadow, StaticShadow) = 两者中更暗的
Shadow.SurfaceShadow = min(
    lerp(LightAttenuation.x, 1.0f, DynamicShadowFraction),  // 动态阴影淡出到 1.0
    StaticShadowing);                                         // 与静态阴影取 min
```

#### REDGetShadowTerms — 阴影项分离

```hlsl
// ASW Change : 2019/02/05 20:37:00 Takeshi.N
// 将阴影分解为独立的动态和静态两项，供 REDGetShadowColor 分别着色
void REDGetShadowTerms(
    FGBufferData GBuffer,
    FDeferredLightData LightData,
    float3 WorldPosition,
    float4 LightAttenuation,          // Shadow Map 衰减值
    out float DynamicShadowTerm,      // 输出：动态阴影项 (0=全阴影, 1=无阴影)
    out float StaticShadowTerm)       // 输出：静态阴影项
{
    // 从 GBuffer 获取静态阴影（Lightmap / Distance Field）
    float UsesStaticShadowMap = dot(LightData.ShadowMapChannelMask, float4(1, 1, 1, 1));
    float StaticShadowing = lerp(1,
        dot(GBuffer.PrecomputedShadowFactors, LightData.ShadowMapChannelMask),
        UsesStaticShadowMap);

    if (LightData.bRadialLight)
    {
        // 点光源/聚光灯：直接使用 LightAttenuation.zw
        DynamicShadowTerm = LightAttenuation.z * StaticShadowing;
        StaticShadowTerm = LightAttenuation.w * StaticShadowing;
    }
    else
    {
        // 方向光：根据距离淡化动态阴影
        float DynamicShadowFraction = DistanceFromCameraFade(
            GBuffer.Depth, LightData, WorldPosition, View.WorldCameraOrigin);

        // 动态阴影：距离远时淡化到 1.0（无阴影）
        DynamicShadowTerm = lerp(LightAttenuation.x, 1.0f, DynamicShadowFraction);
        // 静态阴影：不受距离影响
        StaticShadowTerm = StaticShadowing;

        // 叠加光照函数 (Light Function)
        DynamicShadowTerm *= LightAttenuation.z;
        StaticShadowTerm *= LightAttenuation.z;
    }
}
```

#### REDGetShadowColor — 核心阴影着色函数

```hlsl
// ASW Change : 2016/10/12 21:35:18 Takuro.K
// 核心函数：将阴影从"衰减"转变为"着色"
// 传统 PBR：最终颜色 = 光照 × 阴影衰减（变暗）
// RED 系统：最终颜色 = lerp(阴影颜色, 光照颜色, 阴影系数)（变色）
float4 REDGetShadowColor(
    float3 WorldPosition,
    float3 CameraVector,
    FGBufferData GBuffer,
    float AmbientOcclusion,
    uint ShadingModelID,
    FDeferredLightData LightData,
    float4 LightAttenuation,
    uint2 Random,
    float DynamicShadowShade)         // 动态阴影明暗参数
{
    float DynamicShadow = 1;          // 动态阴影项（1=无阴影）
    float StaticShadow = 1;           // 静态阴影项

    BRANCH
    if (LightData.ShadowedBits)
    {
        // 有阴影贴图时：分离计算动态和静态阴影
        REDGetShadowTerms(GBuffer, LightData, WorldPosition,
            LightAttenuation, DynamicShadow, StaticShadow);
    }
    else
    {
        // 无阴影贴图时：使用 AO 作为阴影近似
        DynamicShadow = AmbientOcclusion;
    }

    // 动态阴影颜色 = DiffuseColor × DynamicShadowShade
    // DiffuseColor 来自 GBufferD.CustomData（美术指定的阴影基色）
    // DynamicShadowShade 控制暗度（0=全黑, 1=与阴影基色相同）
    float3 DynamicShadowColor = GBuffer.DiffuseColor * DynamicShadowShade;

    // 静态阴影颜色 = DiffuseColor（不额外缩放）
    float3 StaticShadowColor = GBuffer.DiffuseColor;

    // 静态阴影：从阴影颜色到白色(无阴影)的过渡
    StaticShadowColor = lerp(StaticShadowColor, float3(1,1,1), StaticShadow);

    // 最终合成：动态阴影颜色到静态阴影颜色的过渡
    // DynamicShadow=0 时显示动态阴影颜色
    // DynamicShadow=1 时显示静态阴影颜色（可能已经过渡到白色）
    return float4(lerp(DynamicShadowColor, StaticShadowColor, DynamicShadow), 0.0f);
}
```

### C++ 端实现

```cpp
// LightRendering.cpp — REDDeferredLightPS 类定义
// ASW Change : 2018/12/18 20:59:02 Kazuhito
// 继承标准 FDeferredLightPS，复用所有 permutation 参数
class REDDeferredLightPS : public FDeferredLightPS
{
    DECLARE_GLOBAL_SHADER(REDDeferredLightPS)

    REDDeferredLightPS(const ShaderMetaType::CompiledShaderInitializerType& Initializer)
    :   FDeferredLightPS(Initializer)
    {
        // ASW: 绑定 DynamicShadowShade uniform 参数
        DynamicShadowShade.Bind(Initializer.ParameterMap, TEXT("DynamicShadowShade"));
    }
    REDDeferredLightPS() {}

    // DynamicShadowShade 参数成员
    LAYOUT_FIELD(FShaderParameter, DynamicShadowShade);
};

// 注册 Shader：绑定到 DeferredLightPixelShaders.usf 的 REDDirectionalPixelMain 入口
#define RED_CUSTOM_LIGHTING 1
IMPLEMENT_GLOBAL_SHADER(REDDeferredLightPS,
    "/Engine/Private/DeferredLightPixelShaders.usf",
    "REDDirectionalPixelMain", SF_Pixel);
```

```cpp
// LightRendering.cpp — DynamicShadowShade 参数设置
// 方向光：有预计算光照时 shade=0.3（阴影较暗），无预计算时 shade=1.0（无额外变暗）
SetShaderValue(RHICmdList, ShaderRHI, DynamicShadowShade,
    LightSceneInfo->IsPrecomputedLightingValid() ? 0.3f : 1.0f);

// 点光源：shade 固定为 1.0（不额外变暗）
SetShaderValue(RHICmdList, ShaderRHI, DynamicShadowShade, 1.f);
```

```cpp
// LightRendering.cpp — 点光源排序
// ASW Change : 2020/10/22 Takeshi.N
// 点光源在方向光之后渲染（方向光先完成阴影着色，点光源再叠加）
SortedLightInfo->SortKey.Fields.bPointLightRED =
    (LightSceneInfoCompact.LightType != LightType_Directional);
```

```cpp
// LightRendering.cpp — 方向光渲染路径（RED_CUSTOM_LIGHTING）
// 混合模式改为 Multiply（DestColor × SourceColor）
// 标准 UE4 用 Additive，RED 用 Multiply 因为阴影颜色系统输出的是"乘算遮罩"
GraphicsPSOInit.BlendState = TStaticBlendState<
    CW_RGBA, BO_Add,
    BF_DestColor, BF_Zero,    // RGB: Dest × Source（乘法混合）
    BO_Add, BF_One, BF_One    // Alpha: 加法
>::GetRHI();

// 使用 REDDeferredLightPS 替代标准 FDeferredLightPS
TShaderMapRef<REDDeferredLightPS> PixelShader(View.ShaderMap, PermutationVector);
```

## 代码修改情况

| 文件路径 | 行号 | 修改类型 | 修改内容 |
|---------|------|---------|---------|
| `Shaders/Private/DeferredLightPixelShaders.usf` | L106 | 新增 | `DynamicShadowShade` uniform 声明 |
| `Shaders/Private/DeferredLightPixelShaders.usf` | L109~L145 | 新增 | `REDDirectionalPixelMain` 方向光阴影着色入口函数 |
| `Shaders/Private/DeferredLightPixelShaders.usf` | L236~L239 | 新增 | 点光源 CustomData → DiffuseColor 覆写 |
| `Shaders/Private/DeferredLightPixelShaders.usf` | L253~L258 | 新增 | 点光源 BGMultColor 色调应用 |
| `Shaders/Private/DeferredLightingCommon.ush` | L166~L172 | 修改 | 阴影合成公式改为 `min(lerp(...), StaticShadowing)` |
| `Shaders/Private/DeferredLightingCommon.ush` | L457~L505 | 新增 | `REDGetShadowTerms` 动态/静态阴影项分离函数 |
| `Shaders/Private/DeferredLightingCommon.ush` | L508~L557 | 新增 | `REDGetShadowColor` 核心阴影着色函数 |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L383~L394 | 新增 | `DynamicShadowShade.Bind` 参数绑定 |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L421~L432 | 新增 | `DynamicShadowShade` 方向光值设置 (0.3/1.0) |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L434~L445 | 新增 | `DynamicShadowShade` 点光源值设置 (1.0) |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L682~L688 | 新增 | `LAYOUT_FIELD(FShaderParameter, DynamicShadowShade)` |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L706~L744 | 新增 | `REDDeferredLightPS` 类 + `IMPLEMENT_GLOBAL_SHADER` |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L950~L961 | 新增 | `bPointLightRED` 排序键 |
| `Source/Runtime/Renderer/Private/LightRendering.cpp` | L2111~L2303 | 新增 | RED 方向光渲染路径（Multiply 混合 + REDDeferredLightPS 调用） |