【Aladdin-Unity3D-Shader编程】之六-模型实时阴影

前言

在游戏开发中实时阴影是比较常见的需求，我们最常见的方法是实时光照，但是这个会带来性能的问题，如果场景中模型比较多，例如我最近在做的3D足球游戏，场景中22个球员，如果采用实时光照DC会增加好几百，会造成渲染的压力，就有必要采用关照贴图的方案，比关闭掉实时光，但这种方案就降低了DC，减轻了渲染压力，这就要求阴影必须采用其他方案，我这里介绍Shader来现在的方案，貌似是王者荣耀采用的一种方案，专门用一个pass来渲染球员的阴影。

效果图

会看到模型有实时阴影效果。

原理

下面用2D视角来分析，阴影产生正如下图：

由上图可知，阴影的a点与遮挡物的b点在光照方向的垂直面上其实映射的是同一个点d。这很容易让我们联想到MVP当中的投影变换。其实是一样的。我们将于光照方向当做照相机的视线，而与光照方向垂直的面，就是投影变换最后的盒子的正面。这意味着我们可以制作一个正交照相机，使得它与光照方向一致，再将地面模型的各个顶点投影到该照相机上，这时候照相机的纹理UV坐标范围是0_{1，地面投影到了照相机，也将其坐标映射到0}1之间，由此与照相机的纹理一一对应，于是将照相机照出来的纹理叠加在地面上，就形成了阴影。

程序实现

shader

Shader "Custom/PlayerShadow"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_ShadowInvLen ("ShadowInvLen", float) = 1.0 //0.4449261_Power("Power", Range(0,2)) = 1.7}SubShader{Tags{ "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry+10" }LOD 100Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag// make fog work#pragma multi_compile_fog#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;UNITY_FOG_COORDS(1)float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;fixed _Power;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{// sample the texturefixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Power;// apply fogUNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);return col;}ENDCG}Pass{Blend SrcAlpha  OneMinusSrcAlphaZWrite OffCull BackColorMask RGBStencil{Ref 0Comp EqualWriteMask 255ReadMask 255//Pass IncrSatPass InvertFail KeepZFail Keep}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragfloat4 _ShadowPlane; //渲染的地面float4 _ShadowProjDir; //渲染的光源点，这里只是记录点的位置，用于计算阴影的投影float4 _WorldPos;float _ShadowInvLen; //阴影的长度float4 _ShadowFadeParams; //阴影渐变的参数struct appdata{float4 vertex : POSITION;};struct v2f{float4 vertex : SV_POSITION;float3 xlv_TEXCOORD0 : TEXCOORD0;float3 xlv_TEXCOORD1 : TEXCOORD1;};v2f vert(appdata v){v2f o;float3 lightdir = normalize(_ShadowProjDir); //单位化光照方向向量float3 worldpos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; //模型坐标转成世界坐标// _ShadowPlane.w = p0 * n  // 平面的w分量就是p0 * nfloat distance = (_ShadowPlane.w - dot(_ShadowPlane.xyz, worldpos)) / dot(_ShadowPlane.xyz, lightdir.xyz); //计算阴影的长度worldpos = worldpos + distance * lightdir.xyz; //影子的投影点o.vertex = mul(unity_MatrixVP, float4(worldpos, 1.0));o.xlv_TEXCOORD0 = _WorldPos.xyz;o.xlv_TEXCOORD1 = worldpos;  //影子投影的点组成的纹理return o;}float4 frag(v2f i) : SV_Target{float3 posToPlane_2 = (i.xlv_TEXCOORD0 - i.xlv_TEXCOORD1);float4 color;color.xyz = float3(0.0, 0.0, 0.0);color.w = (pow((1.0 - clamp(((sqrt(dot(posToPlane_2, posToPlane_2)) * _ShadowInvLen) - _ShadowFadeParams.x), 0.0, 1.0)), _ShadowFadeParams.y) * _ShadowFadeParams.z);  //透明度渐变计算return color;}ENDCG}}
}

第二个pass专门用来渲染阴影，power参数是颜色加强，因为关闭了实时灯光，模型会显得暗淡，这个参数跟阴影效果没太大关系。

C#

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;public class PlayerShadow : MonoBehaviour
{public Camera mCamera;public GameObject mLight;private List<Material> mMatList = new List<Material>();private void Awake(){SkinnedMeshRenderer[] renderlist = GetComponentsInChildren<SkinnedMeshRenderer>();foreach (var render in renderlist){if (render == null)continue;foreach (var mt in render.materials){if (mt.shader.name == "Custom/PlayerShadow")mMatList.Add(mt);}}}void Start(){mCamera = Camera.main;mLight = GameObject.Find("LightPosition").gameObject;}void Update(){UpdateShader();}private void UpdateShader(){if (mLight == null)return;foreach (var mat in mMatList){if (mat == null)continue;mat.SetVector("_WorldPos", transform.position);mat.SetVector("_ShadowProjDir", mLight.transform.forward);mat.SetVector("_ShadowPlane", new Vector4(0f, 0.4f, 0.0f, 0.0f));mat.SetVector("_ShadowFadeParams", new Vector4(1f, 0.9f, 0.8f, 0.7f));}}
}

主要是将光照向量和当前模型的坐标传递给Shader，以便Shader实时计算出当前模型的阴影。