【Unity——阴影实现基本原理】

前言

本文是对Unity中阴影实现原理的简单介绍，不涉及Shader实现细节。

文章目录

一.阴影的实现原理
1.1 简单的解释
1.2 实现原理
二.Unity中的阴影
2.1 阴影映射纹理，深度纹理，阴影纹理简介
2.2 阴影的投射与接收

一.实现原理

1.1简单的解释

假设下面这一张图是当前摄像机中呈现出的内容，不包含任何阴影。

阴影映射的原理是：采样上图中像素，获取像素在世界空间中的位置（对应了世界空间中的一个点），判断这个点是否能被光源“看见”。

如果这个点与光源连线中间没有被其它物体遮挡，则这个点在光中。
如果被遮挡，则这个点在阴影中。需要为这个点（像素）打上阴影。
对上图中像素遍历后打上阴影后的结果如下图。

1.2实现原理

关于“点与光源连线之间是否有物体遮挡”，我们通过类似深度缓冲的技术来实现。
我们在灯光位置设置一个假想的摄像机，并渲染从光线中看到的场景深度，
并将这些结果保存下来，得到阴影映射纹理（shadowmap）
光源的位置，通过假想摄像机得到的阴影映射纹理（shadowmap）见下图

阴影映射纹理（shadowmap）的每个像素都可以在世界空间中重新映射，并会告诉你光看到的像素以及该点与光源本身的距离。在上图中，如果我们采样阴影映射纹理（shadowmap）中P3/P2这一像素，我们实际可以获得的是世界空间中点P3到光源的距离。

让我们梳理一下整个过程：
对于上图中P1这个摄像机视角中的一个像素，我们采样这个像素获取其在世界空间中的位置（可以视为一个点），然后将这个点映射到阴影映射纹理（shadowmap）中，得到其在阴影映射纹理（shadowmap）中应对应的像素P1，然后采样阴影映射纹理（shadowmap）中P1这个点，获取光看到的像素以及该点与光源本身的距离。两者相等，点P1不在阴影中。
对于摄像机视角里的像素P2，，在映射到阴影映射纹理（shadowmap）后得到像素P3/P2，然后采样阴影映射纹理（shadowmap）中P3/P2这个像素获取到的值是世界坐标下P3到光源的距离，与世界坐标系下P2到光源的距离不相等。P2在阴影中。

二.Unity中的阴影

2.1阴影映射纹理，深度纹理，阴影纹理简介

在《Unity Shader入门精要》第九章有关阴影的内容中，作者提到了以下三个纹理
1.光源的阴影映射纹理
2.屏幕空间的深度纹理
3.屏幕空间的阴影纹理
用图片直观的认识这三张纹理有利于后续的理解
首先，以下是书中实验场景与最终渲染效果

1.光源的阴影映射纹理，也就是刚才说的shadowmap

2.屏幕空间的深度纹理
在延迟渲染里这张深度图（纹理）本来就有，如果是前向渲染的话就需要把场景整个渲染一遍，把深度渲染到深度图（纹理）中。

3.屏幕空间的阴影纹理
左图为阴影纹理，右图为最终渲染效果
作者在github对这张纹理做出了解释：获取这张纹理的主要思路就是从摄像机的深度纹理里采样得到该fragment的深度值，然后利用矩阵变换计算得到该点对应的世界空间的世界坐标（利用CameraToWorld矩阵），然后再变换到光源空间下的坐标（利用WorldToShadow矩阵），最后拿这个坐标对光源的ShadowMap采样计算阴影。最终将所有结果存储到一张阴影纹理中。
计算获取阴影纹理的总体思路和第一节中所述是一致的，不同之处在于，在进行比较时不是使用世界空间下点到光源的距离，而是使用了光源空间下点到光源的距离

2.2阴影的投射与接收

显而易见，阴影的产生需要光源，阴影投射体，与接收阴影的物体。
在本节例子中，立方体既向地面投射了阴影，又接收了来自立面的阴影。
在Unity中我们可以通过相关选项来控制物体的投射/接收阴影。如下图
作者在书中P198对投射阴影/接收阴影做出的解释大意为：如果物体开启了投射阴影属性，Unity就会把物体加入到光源的阴影映射纹理的计算中。其它物体在对阴影映射纹理进行采样时就会收到该物体的影响。
以第一节的图片举例：如果P3所在球体未开启投射阴影属性，那么右侧的阴影映射纹理中红框所示阴影圆块将不存在，阴影映射纹理中P3/P2存储的信息将是P2到光源的距离。P2在渲染时被映射到阴影映射纹理后采样阴影映射纹理得到的不再是P3到光源的距离，而是P2到光源的距离。二者相等，P2将被判断为不在阴影中。屏幕空间的阴影纹理中点P2处将不再有阴影。
下图演示了在帧调试器中，打开/关闭立方体的投射阴影选项对屏幕空间的阴影纹理的影响。
开启：
关闭：

关闭立方体的阴影投射最终渲染结果：

对于阴影的接收，无论物体是否开启，都不会影响屏幕空间阴影纹理的计算结果。在此不再举例。

参考文章1：Unity阴影和深度纹理的补充说明（重要）
参考文章2：延迟渲染阴影映射