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## 级联阴影
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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
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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
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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。
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`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：
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```c#
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shadowSettings.splitData = splitData;
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//设置矩阵
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buffer.SetViewProjectionMatrices(viewMatrix,projectionMatrix);
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ExecuteBuffer();
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//根据ShadowDrawingSettings绘制阴影
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context.DrawShadows(ref shadowSettings);
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```
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之后开始往`Lit.Shader`添加绘制阴影Pass
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```c#
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Pass{
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Tags {
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"LightMode" = "ShadowCaster"
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}
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ColorMask 0
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HLSLPROGRAM
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#pragma target 3.5
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#pragma shader_feature _CLIPPING
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#pragma multi_compile_instancing
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#pragma vertex ShadowCasterPassVertex
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#pragma fragment ShadowCasterPassFragment
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#include "ShadowCasterPass.hlsl"
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ENDHLSL
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}
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```
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其中FragmentShader只负责裁剪
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```c#
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#ifndef CUSTOM_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED
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#define CUSTOM_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED
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#include "../ShaderLibrary/Common.hlsl"
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TEXTURE2D(_BaseMap);
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SAMPLER(sampler_BaseMap);
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UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial)
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UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseMap_ST)
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UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseColor)
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UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float, _Cutoff)
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UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(UnityPerMaterial)
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struct Attributes {
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float3 positionOS : POSITION;
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float2 baseUV : TEXCOORD0;
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UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
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};
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struct Varyings {
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float4 positionCS : SV_POSITION;
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float2 baseUV : VAR_BASE_UV;
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UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
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};
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Varyings ShadowCasterPassVertex (Attributes input) {
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Varyings output;
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UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
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UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);
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float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS);
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output.positionCS = TransformWorldToHClip(positionWS);
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float4 baseST = UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _BaseMap_ST);
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output.baseUV = input.baseUV * baseST.xy + baseST.zw;
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return output;
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}
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void ShadowCasterPassFragment (Varyings input) {
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UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
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float4 baseMap = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.baseUV);
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float4 baseColor = UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _BaseColor);
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float4 base = baseMap * baseColor;
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#if defined(_CLIPPING)
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clip(base.a - UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _Cutoff));
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#endif
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}
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#endif
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```
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`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`ShadowCaster`Pass中是为了正确渲染Alpha物体阴影。
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`ShadowCaster`Pass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。
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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）。
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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。
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### 添加级联效果
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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。
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### 添加设置
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#### ShadowSettings类
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添加`ShadowSettings`类：
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```c#
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using UnityEngine;
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[System.Serializable]
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public class ShadowSettings
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{
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[Min(0f)]
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public float maxDistance = 100f;
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public enum TextureSize
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{
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_256=256,_512=512,_1024=1024,_2048=2048,_4096=4096,_8192=8192
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}
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[System.Serializable]
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public struct Directional
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{
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public TextureSize atlasSize;
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}
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public Directional directional = new Directional { atlasSize = TextureSize._1024};
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}
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```
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往`CustomRenderPipelineAsset`、`CustomRenderPipeline`、`CameraRenderer` 、`Lighting`依次添加`ShadowSettings`变量以及对应函数中的形参。
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#### Shadow类
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```c#
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public class Shadows
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{
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const int maxShadowedDirectionalLightCount = 1;
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int ShadowedDirectionalLightCount;
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const string bufferName = "shadows";
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CommandBuffer buffer = new CommandBuffer
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{
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name = bufferName
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};
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ScriptableRenderContext context;
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CullingResults cullingResults;
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ShadowSettings settings;
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struct ShadowedDirectionalLight
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{
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public int visibleLightIndex;
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}
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private ShadowedDirectionalLight[] ShadowedDirectionalLights =
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new ShadowedDirectionalLight[maxShadowedDirectionalLightCount];
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public void Setup(
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ScriptableRenderContext context,CullingResults cullingResults,
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ShadowSettings settings
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)
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{
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ShadowedDirectionalLightCount = 0;
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this.context = context;
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this.cullingResults = cullingResults;
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this.settings = settings;
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}
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void ExecuteBuffer()
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{
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context.ExecuteCommandBuffer(buffer);
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buffer.Clear();
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}
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/*
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* 存储方向光阴影信息
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* 灯光处于阴影有效且处于可见状态时，将信息存储在ShadowedDirectionalLights[]中
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*/
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public void ReserveDirectionalShadows(Light light, int visibleLightIndex)
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{
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if (ShadowedDirectionalLightCount < maxShadowedDirectionalLightCount &&
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light.shadows!=LightShadows.None && light.shadowStrength>0f &&
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cullingResults.GetShadowCasterBounds(visibleLightIndex,out Bounds b))
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{
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ShadowedDirectionalLights[ShadowedDirectionalLightCount++] = new ShadowedDirectionalLight() { visibleLightIndex = visibleLightIndex};
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}
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}
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}
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```
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- 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);`。
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### 渲染
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#### 阴影图集
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```c#
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TEXTURE2D_SHADOW(_DirectionalShadowAtlas);
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#define SHADOW_SAMPLER sampler_linear_clamp_compare
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SAMPLER_CMP(SHADOW_SAMPLER);
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```
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#### 3 级联阴影贴图
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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。
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#### 球形剔除
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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。
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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。
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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。
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#### 最大距离
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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。
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#### 给阴影添加衰减与级联渐变
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阴影衰减见git，
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级联衰减公式：
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其中f为下面式子的倒数：
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在`RenderDirectionalShadows`中计算fade因子后传递给`_ShadowDistanceFade`
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#### 清除阴影的摩尔纹
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##### 简单的清除方法
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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。
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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。
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##### 法线偏差
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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。
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##### 可配置的偏差
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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`。
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##### 解决阴影裁剪问题
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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：
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```c#
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#if UNITY_REVERSED_Z
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output.positionCS.z=min(output.positionCS.z,output.positionCS.w*UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
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#else
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output.positionCS.z=max(output.positionCS.z,output.positionCS.w*UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
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#endif
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```
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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。
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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。
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##### PCF过滤
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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。
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- 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()`。
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- 为每种过滤器设置不同的采样次数与宏设置
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`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。
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```c#
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float FilterDirectionalShadow (float3 positionSTS)
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{
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#if defined(DIRECTIONAL_FILTER_SETUP)
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float weights[DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES];
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float2 positions[DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES];
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float4 size = _ShadowAtlasSize.yyxx;
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DIRECTIONAL_FILTER_SETUP(size, positionSTS.xy, weights, positions);
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float shadow = 0;
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for (int i = 0; i < DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES; i++) {
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shadow += weights[i] * SampleDirectionalShadowAtlas(
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float3(positions[i].xy, positionSTS.z)
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);
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}
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return shadow;
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#else
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return SampleDirectionalShadowAtlas(positionSTS);
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#endif
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}
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```
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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。
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```c#
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void SetCascadeData(int index, Vector4 cullingSphere, float tileSize)
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{
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float texelSize = 2f * cullingSphere.w / tileSize;
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float filterSize = texelSize * ((float)settings.directional.filter + 1f);
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cullingSphere.w -= filterSize;
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cullingSphere.w *= cullingSphere.w;
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cascadeCullingSpheres[index] = cullingSphere;
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cascadeData[index] = new Vector4(
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1f / cullingSphere.w,
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filterSize*1.4142136f);
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}
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```
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##### 级联过渡
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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`
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```c#
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for (i=0;i<_CascadeCount;i++)
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{
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float4 sphere=_CascadeCullingSpheres[i];
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float distanceSqr=DistanceSquared(surfaceWS.position,sphere.xyz);
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if(distanceSqr<sphere.w)
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{
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if(i== _CascadeCount-1)
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{
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data.strength*=FadedShadowStrength(distanceSqr,_CascadeData[i].x,_ShadowDistanceFade.z);
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}
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break;;
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}
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||
}
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||
```
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##### 过渡抖动
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提高级联过渡效果。在`LitPassFragment`中给像素计算抖动值
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```c#
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surface.dither=InterleavedGradientNoise(input.positionCS.xy,0);
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```
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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。
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```c#
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#if defined(_CASCADE_BLEND_DITHER)
|
||
else if(data.cascadeBlend < surfaceWS.dither)
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||
{
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||
i+=1;
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||
}
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||
#endif
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||
```
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##### 其他功能效果
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- 透明度
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- 阴影模式
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- 裁切阴影
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- 抖动阴影
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- 无阴影
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- 不受光阴影投射器
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- 接受阴影 |