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title: RED阴影系统
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date: 2026-05-03 00:00:00
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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
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tags:
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- ARC
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- Rendering
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- Shadow
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- Toon
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rating: ⭐
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# RED 阴影系统
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返回 [[Rendering]]
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## 概述
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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。
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## 核心思路
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传统 PBR 阴影：`最终颜色 = 光照颜色 × 阴影衰减`
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RED 阴影系统：`最终颜色 = lerp(阴影颜色, 光照颜色, 阴影系数)`
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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。
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## 实现细节
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### 1. 入口函数 REDDirectionalPixelMain
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在 `DeferredLightPixelShaders.usf` 中新增独立的方向光入口：
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```hlsl
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// ASW Change : 2016/10/12 21:35:18 Takuro.K
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void REDDirectionalPixelMain(
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float2 InUV : TEXCOORD0,
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float3 ScreenVector : TEXCOORD1,
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float4 SVPos : SV_POSITION,
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out float4 OutColor : SV_Target0 )
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{
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// ... 读取 GBuffer、计算光照衰减 ...
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OutColor = REDGetShadowColor(
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WorldPosition, CameraVector, ScreenSpaceData.GBuffer,
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ScreenSpaceData.AmbientOcclusion,
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ScreenSpaceData.GBuffer.ShadingModelID,
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LightData, GetPerPixelLightAttenuation(InUV),
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Random, DynamicShadowShade);
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}
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```
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`DynamicShadowShade` 是一个 uniform 参数，控制动态阴影的明暗程度。
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### 2. 阴影项分离 REDGetShadowTerms
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在 `DeferredLightingCommon.ush` 中将阴影分解为动态和静态两个独立项：
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```hlsl
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void REDGetShadowTerms(
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FGBufferData GBuffer, FDeferredLightData LightData,
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float3 WorldPosition, float4 LightAttenuation,
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out float DynamicShadowTerm, out float StaticShadowTerm)
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{
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// 动态阴影：来自 Shadow Map
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float DynamicShadowFraction = DistanceFromCameraFade(...);
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DynamicShadowTerm = min(
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lerp(LightAttenuation.x, 1.0f, DynamicShadowFraction),
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StaticShadowing);
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// 静态阴影：来自 Lightmap / Distance Field
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StaticShadowTerm = StaticShadowing;
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}
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```
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### 3. 阴影着色 REDGetShadowColor
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核心函数——使用 `DiffuseColor`（存储在 GBufferD 的 CustomData 中）作为阴影颜色：
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```hlsl
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float4 REDGetShadowColor(...)
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{
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float DynamicShadow, StaticShadow;
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REDGetShadowTerms(GBuffer, LightData, WorldPosition,
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LightAttenuation, DynamicShadow, StaticShadow);
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// 动态阴影颜色 = DiffuseColor × DynamicShadowShade
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float3 DynamicShadowColor = GBuffer.DiffuseColor * DynamicShadowShade;
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// 静态阴影颜色 = DiffuseColor（不额外缩放）
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float3 StaticShadowColor = GBuffer.DiffuseColor;
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StaticShadowColor = lerp(StaticShadowColor, float3(1,1,1), StaticShadow);
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return float4(
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lerp(DynamicShadowColor, StaticShadowColor, DynamicShadow), 0.0f);
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}
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```
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### 4. PointLight 的 CustomData 使用
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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：
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```hlsl
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// ASW Change : 2020/01/14 20:19:00 Takeshi.N
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ScreenSpaceData.GBuffer.DiffuseColor.rgb = ScreenSpaceData.GBuffer.CustomData.rgb;
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```
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## C++ 端支持
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在 `LightRendering.cpp` 中：
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- 新增 `REDDeferredLightPS` Pixel Shader 类，绑定 `DynamicShadowShade` 参数
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- 点光源通过 `bPointLightRED` 排序键控制渲染顺序（排在方向光之后）
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- `RED_CUSTOM_LIGHTING` 宏控制是否启用自定义光照路径
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## 关联文档
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- [[RED自定义数据通道]] — DiffuseColor 如何写入 GBufferD
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||
- [[自定义光照Pass]] — REDDeferredLightPS 的 C++ 绑定
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||
- [[BGMultColor全局色调]] — 场景全局色调叠加
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## 完整代码解析
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### DeferredLightPixelShaders.usf
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#### DynamicShadowShade uniform 声明
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```hlsl
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// ASW Change : 2019/02/05 20:37:00 Takeshi.N
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// 动态阴影明暗控制参数，从 C++ 端传入
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// 0.0 = 动态阴影区域完全黑色
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// 1.0 = 无动态阴影变暗效果
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float DynamicShadowShade;
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```
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#### REDDirectionalPixelMain — 方向光阴影着色入口
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```hlsl
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// ASW Change : 2016/10/12 21:35:18 Takuro.K
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// 专用的方向光阴影着色 Pixel Shader 入口
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// 与标准 DeferredLightPixelMain 并行存在，由 C++ 端选择调用
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void REDDirectionalPixelMain(
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float2 InUV : TEXCOORD0, // 屏幕空间 UV
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float3 ScreenVector : TEXCOORD1, // 屏幕空间到世界空间的方向向量
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float4 SVPos : SV_POSITION, // 屏幕位置
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out float4 OutColor : SV_Target0 // 输出：阴影颜色（不是光照颜色）
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)
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{
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OutColor = float4(1,1,1,0); // 默认白色 = 无阴影
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float3 CameraVector = normalize(ScreenVector);
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FScreenSpaceData ScreenSpaceData = GetScreenSpaceData(InUV);
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// 只处理使用 Deferred Shading 的像素（ShadingModelID > 0）
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BRANCH if( ScreenSpaceData.GBuffer.ShadingModelID > 0
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#if USE_LIGHTING_CHANNELS
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&& (GetLightingChannelMask(InUV) & DeferredLightUniforms.LightingChannelMask)
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#endif
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)
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{
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float SceneDepth = CalcSceneDepth(InUV);
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// 从屏幕空间重建世界坐标
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float3 WorldPosition = ScreenVector * SceneDepth + View.WorldCameraOrigin;
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FDeferredLightData LightData = SetupLightDataForStandardDeferred();
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// 生成随机数用于阴影抖动
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uint2 Random = ScrambleTEA( uint2( SVPos.xy ) );
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Random.x ^= View.Random;
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Random.y ^= View.Random;
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// 核心：调用 REDGetShadowColor 计算阴影着色
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// 注意输出的是"阴影颜色"而非"光照颜色"
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OutColor = REDGetShadowColor(
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WorldPosition, CameraVector,
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ScreenSpaceData.GBuffer,
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ScreenSpaceData.AmbientOcclusion,
|
||
ScreenSpaceData.GBuffer.ShadingModelID,
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LightData,
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GetPerPixelLightAttenuation(InUV),
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Random,
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DynamicShadowShade); // 传入动态阴影明暗参数
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}
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}
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```
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#### 点光源 CustomData 覆写
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```hlsl
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// ASW Change : 2020/01/14 20:19:00 Takeshi.N
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// 点光源渲染时，将 GBufferD 中存储的 CustomData 重新解释为 DiffuseColor
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||
// 这样点光源的阴影着色可以使用与方向光相同的机制
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ScreenSpaceData.GBuffer.DiffuseColor.rgb = ScreenSpaceData.GBuffer.CustomData.rgb;
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```
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#### 点光源 BGMultColor 应用
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```hlsl
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// ASW Change : 2020/07/07 16:41:00 Takeshi.N
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// 对点光源输出应用全局色调调制
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OutColor.rgb *= View.BGMultColor.rgb; // RGB 颜色乘算
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float Grayscale = dot(OutColor.rgb, float3(0.299f, 0.587f, 0.114f)); // 计算亮度
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OutColor.rgb = lerp( // 饱和度控制
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||
float3(Grayscale, Grayscale, Grayscale), // 灰度版本
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||
OutColor.rgb, // 原色版本
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View.BGMultColor.a); // A 通道控制饱和度
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```
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### DeferredLightingCommon.ush
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#### 阴影合成修改
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```hlsl
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// ASW Change : 2018/11/13 17:13:00 Takeshi.N
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// 原始公式：Shadow = lerp(DynamicShadow, StaticShadow, FadeFraction)
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// 问题：距离远时 DynamicShadow 淡出后只剩 StaticShadow，
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// 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
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//
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// 新公式：Shadow = min(lerp(DynamicShadow, 1.0, FadeFraction), StaticShadow)
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||
// 效果：动态阴影淡出后取 min(1.0, StaticShadow) = StaticShadow
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||
// 动态阴影存在时取 min(DynamicShadow, StaticShadow) = 两者中更暗的
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Shadow.SurfaceShadow = min(
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lerp(LightAttenuation.x, 1.0f, DynamicShadowFraction), // 动态阴影淡出到 1.0
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StaticShadowing); // 与静态阴影取 min
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```
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#### REDGetShadowTerms — 阴影项分离
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```hlsl
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// ASW Change : 2019/02/05 20:37:00 Takeshi.N
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// 将阴影分解为独立的动态和静态两项，供 REDGetShadowColor 分别着色
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void REDGetShadowTerms(
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FGBufferData GBuffer,
|
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FDeferredLightData LightData,
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float3 WorldPosition,
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float4 LightAttenuation, // Shadow Map 衰减值
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out float DynamicShadowTerm, // 输出：动态阴影项 (0=全阴影, 1=无阴影)
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out float StaticShadowTerm) // 输出：静态阴影项
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{
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// 从 GBuffer 获取静态阴影（Lightmap / Distance Field）
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float UsesStaticShadowMap = dot(LightData.ShadowMapChannelMask, float4(1, 1, 1, 1));
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float StaticShadowing = lerp(1,
|
||
dot(GBuffer.PrecomputedShadowFactors, LightData.ShadowMapChannelMask),
|
||
UsesStaticShadowMap);
|
||
|
||
if (LightData.bRadialLight)
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||
{
|
||
// 点光源/聚光灯：直接使用 LightAttenuation.zw
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DynamicShadowTerm = LightAttenuation.z * StaticShadowing;
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StaticShadowTerm = LightAttenuation.w * StaticShadowing;
|
||
}
|
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else
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||
{
|
||
// 方向光：根据距离淡化动态阴影
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float DynamicShadowFraction = DistanceFromCameraFade(
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GBuffer.Depth, LightData, WorldPosition, View.WorldCameraOrigin);
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||
|
||
// 动态阴影：距离远时淡化到 1.0（无阴影）
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||
DynamicShadowTerm = lerp(LightAttenuation.x, 1.0f, DynamicShadowFraction);
|
||
// 静态阴影：不受距离影响
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StaticShadowTerm = StaticShadowing;
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||
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||
// 叠加光照函数 (Light Function)
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||
DynamicShadowTerm *= LightAttenuation.z;
|
||
StaticShadowTerm *= LightAttenuation.z;
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||
}
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||
}
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```
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#### REDGetShadowColor — 核心阴影着色函数
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```hlsl
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// ASW Change : 2016/10/12 21:35:18 Takuro.K
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// 核心函数：将阴影从"衰减"转变为"着色"
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// 传统 PBR：最终颜色 = 光照 × 阴影衰减（变暗）
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// RED 系统：最终颜色 = lerp(阴影颜色, 光照颜色, 阴影系数)（变色）
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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
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{
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float DynamicShadow = 1; // 动态阴影项（1=无阴影）
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||
float StaticShadow = 1; // 静态阴影项
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||
|
||
BRANCH
|
||
if (LightData.ShadowedBits)
|
||
{
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||
// 有阴影贴图时：分离计算动态和静态阴影
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||
REDGetShadowTerms(GBuffer, LightData, WorldPosition,
|
||
LightAttenuation, DynamicShadow, StaticShadow);
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
// 无阴影贴图时：使用 AO 作为阴影近似
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||
DynamicShadow = AmbientOcclusion;
|
||
}
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||
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// 动态阴影颜色 = DiffuseColor × DynamicShadowShade
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// DiffuseColor 来自 GBufferD.CustomData（美术指定的阴影基色）
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// DynamicShadowShade 控制暗度（0=全黑, 1=与阴影基色相同）
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float3 DynamicShadowColor = GBuffer.DiffuseColor * DynamicShadowShade;
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||
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||
// 静态阴影颜色 = DiffuseColor（不额外缩放）
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float3 StaticShadowColor = GBuffer.DiffuseColor;
|
||
|
||
// 静态阴影：从阴影颜色到白色(无阴影)的过渡
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||
StaticShadowColor = lerp(StaticShadowColor, float3(1,1,1), StaticShadow);
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||
|
||
// 最终合成：动态阴影颜色到静态阴影颜色的过渡
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||
// DynamicShadow=0 时显示动态阴影颜色
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// DynamicShadow=1 时显示静态阴影颜色（可能已经过渡到白色）
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return float4(lerp(DynamicShadowColor, StaticShadowColor, DynamicShadow), 0.0f);
|
||
}
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||
```
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### C++ 端实现
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```cpp
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// LightRendering.cpp — REDDeferredLightPS 类定义
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// ASW Change : 2018/12/18 20:59:02 Kazuhito
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||
// 继承标准 FDeferredLightPS，复用所有 permutation 参数
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class REDDeferredLightPS : public FDeferredLightPS
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{
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DECLARE_GLOBAL_SHADER(REDDeferredLightPS)
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||
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||
REDDeferredLightPS(const ShaderMetaType::CompiledShaderInitializerType& Initializer)
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||
: FDeferredLightPS(Initializer)
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||
{
|
||
// ASW: 绑定 DynamicShadowShade uniform 参数
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||
DynamicShadowShade.Bind(Initializer.ParameterMap, TEXT("DynamicShadowShade"));
|
||
}
|
||
REDDeferredLightPS() {}
|
||
|
||
// DynamicShadowShade 参数成员
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||
LAYOUT_FIELD(FShaderParameter, DynamicShadowShade);
|
||
};
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||
|
||
// 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);
|
||
```
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||
```cpp
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||
// LightRendering.cpp — DynamicShadowShade 参数设置
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||
// 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
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||
// 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）
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||
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
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||
| 文件路径 | 行号 | 修改类型 | 修改内容 |
|
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|---------|------|---------|---------|
|
||
| `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） |
|