BlueRoseNote/07-Other/Unity/Unity通用渲染管线（URP）系列（四）——方向阴影（Cascaded Shadow Maps）.md

级联阴影

阴影贴图的缺点：阴影边缘的锯齿严重。原因是阴影贴图的分辨率低，在对阴影贴图采样时，多个不同的顶点对同一个像素采样，导致生成锯齿。为了解决这种问题，我们使用多张阴影贴图，离相机近的地方使用精细的阴影贴图，离相机远的地方使用粗糙的阴影贴图，这样不仅优化了阴影效果，还保证了渲染效率因此，级联阴影的关键就是生成和使用不同精细度的阴影贴图

阴影贴图的原理:在灯光方向架一台摄像机，获取深度图，然后再正常渲染自己的场景，再在正常渲染场景的时候把fragment转换到光源空间，把它和之前渲染的Shadowmap中高度深度作比较，看它是否在影子里，如果是就返回0，不是就返回1

主要的步骤是取得场景中灯光的设置并且传递到Shader中，之后在RenderDirectionalShadows中取得GetTemporaryRT在设置完绘制属性后（将渲染结果传递至RT而不是摄像机上），通过RenderDirectionalShadows绘制各个方向光的阴影。

RenderDirectionalShadows主要是通过cullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives来计算视图矩阵、投影矩阵与ShadowSplitData结构，该函数第一个参数是可见光指数。接下来的三个参数是两个整数和一个Vector3，它们控制阴影级联。稍后我们将处理级联，因此现在使用零，一和零向量。然后是纹理尺寸，我们需要使用平铺尺寸。第六个参数是靠近平面的阴影，我们现在将其忽略并将其设置为零。之后操作为：

shadowSettings.splitData = splitData;
//设置矩阵
buffer.SetViewProjectionMatrices(viewMatrix,projectionMatrix);
ExecuteBuffer();
//根据ShadowDrawingSettings绘制阴影
context.DrawShadows(ref shadowSettings);

之后开始往Lit.Shader添加绘制阴影Pass

Pass{
    Tags {
        "LightMode" = "ShadowCaster"
    }
    
    ColorMask 0
    
    HLSLPROGRAM
    #pragma target 3.5
    #pragma shader_feature _CLIPPING
    #pragma multi_compile_instancing
    #pragma vertex ShadowCasterPassVertex
    #pragma fragment ShadowCasterPassFragment
    #include "ShadowCasterPass.hlsl"
    ENDHLSL
}

其中FragmentShader只负责裁剪

#ifndef CUSTOM_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED
#define CUSTOM_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED

#include "../ShaderLibrary/Common.hlsl"

TEXTURE2D(_BaseMap);
SAMPLER(sampler_BaseMap);

UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseMap_ST)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseColor)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float, _Cutoff)
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(UnityPerMaterial)

struct Attributes {
	float3 positionOS : POSITION;
	float2 baseUV : TEXCOORD0;
	UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

struct Varyings {
	float4 positionCS : SV_POSITION;
	float2 baseUV : VAR_BASE_UV;
	UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

Varyings ShadowCasterPassVertex (Attributes input) {
	Varyings output;
	UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
	UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);
	float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS);
	output.positionCS = TransformWorldToHClip(positionWS);

	float4 baseST = UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _BaseMap_ST);
	output.baseUV = input.baseUV * baseST.xy + baseST.zw;
	return output;
}

void ShadowCasterPassFragment (Varyings input) {
	UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
	float4 baseMap = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.baseUV);
	float4 baseColor = UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _BaseColor);
	float4 base = baseMap * baseColor;
	#if defined(_CLIPPING)
		clip(base.a - UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _Cutoff));
	#endif
}
#endif

clip()是HLSL内置函数，当传入数值小于0时丢弃当前像素。_Cutoff是一个设定的浮点值，默认为0。不是0就是1。在ShadowCasterPass中是为了正确渲染Alpha物体阴影。 ShadowCasterPass是用来渲染阴影贴图（灯光空间的深度贴图），如果相机空间物体表面深度大于阴影贴图中深度，则代表物体处于阴影。取得阴影值在GetDirectionalShadowAttenuation()=>FilterDirectionalShadow()里面，采样完阴影后GetDirectionalShadowAttenuation()里进行一次插值，return lerp(1.0,shadow,directional.strength);,最后在GetLighting()取得计算完的阴影值。

在FilterDirectionalShadow()中调用了SAMPLE_TEXTURE2D_SHADOW宏。SAMPLE_TEXTURE2D_SHADOW宏本质是SampleCmpLevelZero()，函数会对指定的纹理坐标进行采样，将采样的结果与传入的参数z（当前texel在光源空间的深度）进行比较，小于等于z视为通过（说明此texel没被遮挡），否则视为不通过（说明此texel位于阴影中）。

另外注意SamplerComparisonState是用来进行深度采样比较的采样器。需要与SampleCmpLevelZero一起使用。

添加级联效果

由于定向光会影响最大阴影距离范围内的所有物体，因此它们的阴影贴图最终会覆盖较大的区域。由于阴影贴图使用正交投影，因此阴影贴图中的每个纹理像素都具有固定的世界空间大小。如果该尺寸太大，则清晰可见单个阴影纹理，从而导致锯齿状的阴影边缘和小的阴影可能消失。可以通过增加图集大小来缓解这种情况，但仅限于一定程度。

添加设置

ShadowSettings类

添加ShadowSettings类：

using UnityEngine;

[System.Serializable]
public class ShadowSettings
{
    [Min(0f)] 
    public float maxDistance = 100f;
    
    public enum TextureSize
    {
        _256=256,_512=512,_1024=1024,_2048=2048,_4096=4096,_8192=8192
    }

    [System.Serializable]
    public struct Directional
    {
        public TextureSize atlasSize;
    }

    public Directional directional = new Directional { atlasSize = TextureSize._1024};
}

往CustomRenderPipelineAsset、CustomRenderPipeline、CameraRenderer 、Lighting依次添加ShadowSettings变量以及对应函数中的形参。

Shadow类

public class Shadows
{
    const int maxShadowedDirectionalLightCount = 1;
    int ShadowedDirectionalLightCount;
    const string bufferName = "shadows";

    CommandBuffer buffer = new CommandBuffer
    {
        name = bufferName
    };

    ScriptableRenderContext context;

    CullingResults cullingResults;

    ShadowSettings settings;

    struct ShadowedDirectionalLight
    {
        public int visibleLightIndex;
    }

    private ShadowedDirectionalLight[] ShadowedDirectionalLights =
        new ShadowedDirectionalLight[maxShadowedDirectionalLightCount];
    
    public void Setup(
        ScriptableRenderContext context,CullingResults cullingResults,
        ShadowSettings settings
    )
    {
        ShadowedDirectionalLightCount = 0;
        this.context = context;
        this.cullingResults = cullingResults;
        this.settings = settings;
    }

    void ExecuteBuffer()
    {
        context.ExecuteCommandBuffer(buffer);
        buffer.Clear();
    }
    /*
    * 存储方向光阴影信息
    * 灯光处于阴影有效且处于可见状态时，将信息存储在ShadowedDirectionalLights[]中
    */
    public void ReserveDirectionalShadows(Light light, int visibleLightIndex)
    {
        if (ShadowedDirectionalLightCount < maxShadowedDirectionalLightCount &&
            light.shadows!=LightShadows.None && light.shadowStrength>0f && 
            cullingResults.GetShadowCasterBounds(visibleLightIndex,out Bounds b)) 
        {
            ShadowedDirectionalLights[ShadowedDirectionalLightCount++] = new ShadowedDirectionalLight() { visibleLightIndex = visibleLightIndex};
        }
    }
}

• 之后在Lighting类中添加Shadow类变量shadow，并且在Setup中添加shadows.Setup(context,cullingResults,shadowSettings);。以及在SetupDirectionalLight中添加shadows.ReserveDirectionalShadows(visibleLight.light,index);。

渲染

阴影图集

TEXTURE2D_SHADOW(_DirectionalShadowAtlas);
#define SHADOW_SAMPLER sampler_linear_clamp_compare
SAMPLER_CMP(SHADOW_SAMPLER);

3 级联阴影贴图

现在终于得到阴影，但它们看起来很糟糕。不应被阴影化的表面最终会被形成像素化带的阴影伪影所覆盖。这些是由于阴影贴图的有限分辨率导致的自我阴影化。使用不同的分辨率会更改伪影模式，但不会消除它们。

球形剔除

Unity通过为其创建一个选择球来确定每个级联覆盖的区域。由于阴影投影是正交的且呈正方形，因此它们最终会紧密契合其剔除球，但还会覆盖周围的一些空间。这就是为什么可以在剔除区域之外看到一些阴影的原因。同样，光的方向与球无关，因此所有定向光最终都使用相同的剔除球。

剔除球是ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives函数中计算出的ShadowSplitData分离出的数据。传递_CascadeCount级联数以及_CascadeCullingSpheres以及剔除球的位置数据。

创建ShadowData结构体以传递级联级别以及阴影硬度。将会在GetLighting中通过像素的世界坐标是否在球体内来计算ShadowData结构体中的级联级别。

最大距离

此时阴影会在超过最后一个剔除球后消失，为了解决这个问题，会设置一个最大距离，超过最大距离阴影才会消失。具体操作是在GetShadowData中比较像素深度以及阴影最大距离值，如果超过则将strength设置为0。

给阴影添加衰减与级联渐变

阴影衰减见git，

级联衰减公式： 其中f为下面式子的倒数： 在RenderDirectionalShadows中计算fade因子后传递给_ShadowDistanceFade

清除阴影的摩尔纹

简单的清除方法

1. 最简单的方法是向阴影投射器的深度添加恒定的偏差，这虽然会产生不精确的阴影但可以消除摩尔纹。
2. 另一种方法是应用斜率比例偏差，方法是对SetGlobalDepthBias的第二个参数使用非零值。

法线偏差

新建级联数据变量用来传递级级联数据，x为剔除球半径倒数，y为使用√2*2f*cullingSphere.w/tileSize算出来的级联纹理大小，因为最坏的情况是以像素对角方向进行偏移，所以前面有乘以√2,存入shader后乘以Normal取得偏移值，之后对surfaceWS进行偏移。

可配置的偏差

从剔除数据中获取Light以及其shadowBias，之后传递给ShadowedDirectionalLight。在绘制阴影前将偏移值传递给buffer.SetGlobalDepthBias(0,light.slopeScaleBiase);；从剔除数据中获取Light以及其normalBias传递到Shader中，乘以上一步中的normalBias。

解决阴影裁剪问题

当摄像机处于物体中间时，会出现阴影被裁剪的问题。解决方法是在顶点着色器中添加：

#if UNITY_REVERSED_Z
    output.positionCS.z=min(output.positionCS.z,output.positionCS.w*UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#else
    output.positionCS.z=max(output.positionCS.z,output.positionCS.w*UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#endif

原理是当物体z坐标小于近剪裁面时，将顶点挤压or贴在近剪裁面上。

对于大三角产生问题的原因不明白。解决方法是取得灯光的ShadowNearPlane之后传递给计算剔除球形参中。

PCF过滤

到目前为止，我们仅对每个片段采样一次阴影贴图，且使用了硬阴影。阴影比较采样器使用特殊形式的双线性插值，在插值之前执行深度比较。这被称为百分比紧密过滤（percentage closer filtering 简称PCF），因为其中包含四个纹理像素，所以一般指是2×2 PCF过滤器。

• 添加2x2、3x3、5x5,3种过滤枚举、传递shadowAtlasSize到Shader，以及对应的Shader宏，并且修改SetKeywords()。
• 为每种过滤器设置不同的采样次数与宏设置

DIRECTIONAL_FILTER_SETUP为SampleShadow_ComputeSamples_Tent_xxx通过Size与positionSTS.xy计算权重以及uv。之后对阴影进行对应次数的采样。

float FilterDirectionalShadow (float3 positionSTS)
{
#if defined(DIRECTIONAL_FILTER_SETUP)
	float weights[DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES];
	float2 positions[DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES];
	float4 size = _ShadowAtlasSize.yyxx;
	DIRECTIONAL_FILTER_SETUP(size, positionSTS.xy, weights, positions);
	float shadow = 0;
	for (int i = 0; i < DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES; i++) {
		shadow += weights[i] * SampleDirectionalShadowAtlas(
			float3(positions[i].xy, positionSTS.z)
		);
	}
	return shadow;
#else
	return SampleDirectionalShadowAtlas(positionSTS);
#endif
}

在Shadows.cs中修改SetCascadeData()。增大滤镜大小可使阴影更平滑，但也会导致粉刺再次出现。我们需要增加法向偏置以匹配滤波器尺寸。可以通过将纹理像素大小乘以1加上SetCascadeData中的过滤器模式来自动执行此操作。

void SetCascadeData(int index, Vector4 cullingSphere, float tileSize)
{
    float texelSize = 2f * cullingSphere.w / tileSize;
    float filterSize = texelSize * ((float)settings.directional.filter + 1f);
    cullingSphere.w -= filterSize;
    cullingSphere.w *= cullingSphere.w;
    cascadeCullingSpheres[index] = cullingSphere;
    cascadeData[index] = new Vector4(
        1f / cullingSphere.w, 
        filterSize*1.4142136f);
}

级联过渡

在GetShadowData()中根据距离计算fade，如果不是最后一个球就把fade赋值给cascadeBlend。最后一个球的·strength=strength*fade`

for (i=0;i<_CascadeCount;i++)
	{
		float4 sphere=_CascadeCullingSpheres[i];
		float distanceSqr=DistanceSquared(surfaceWS.position,sphere.xyz);
		if(distanceSqr<sphere.w)
		{
			if(i== _CascadeCount-1)
			{
				data.strength*=FadedShadowStrength(distanceSqr,_CascadeData[i].x,_ShadowDistanceFade.z);
			}
			break;;
		}
	}

过渡抖动

提高级联过渡效果。在LitPassFragment中给像素计算抖动值

surface.dither=InterleavedGradientNoise(input.positionCS.xy,0);

当使用抖动混合时，如果我们不在上一个级联中，则当混合值小于抖动值时，跳到下一个级联。

#if defined(_CASCADE_BLEND_DITHER)
	else if(data.cascadeBlend < surfaceWS.dither)
	{
		i+=1;
	}
#endif

其他功能效果

• 透明度
• 阴影模式
• 裁切阴影
• 抖动阴影
• 无阴影
• 不受光阴影投射器
• 接受阴影