介绍

作业1在Unity上的复现, 实现了基于的硬阴影, PCF, PCSS
代码下载: https://github.com/Eagle104fred/Games202_Homework1
Games101 阴影课程笔记：https://smuwm007.feishu.cn/docs/doccnQopokLgMTVbIPsTSxow6He

注意事项

阴影的shader必须写在阴影的接受物体上例如墙壁等地方, 和模型本身的shader没啥关系
注意深度像机的参数设置

实现过程

1.构建shadowMap以及硬阴影

新建unity场景后建立一个Camera, 也可以在下面创建一个光源给模型打光不过不影响阴影效果。
新建一个产生阴影的Object和一个接受阴影的Object

2.设置阴影相机参数

需要增加三个文件, 一个是相机的脚本文件用于传递相机的参数和ShadowMap给Shader, 一个是ShadowMap需要新建一个RenderTexture文件来存储, 一个是用于绘制阴影的空Shader

LightCam.cs

public class LightCam : MonoBehaviour
{// Start is called before the first frame updatepublic Shader shader;Camera mCamera;private void Awake(){mCamera = this.GetComponent<Camera>();mCamera.SetReplacementShader(shader, "");//使用shader进行渲染Shader.SetGlobalTexture("_ShadowMap", mCamera.targetTexture);//拿到shadowMap, 设置为全局供shader使用}// Update is called once per framevoid Update(){Shader.SetGlobalMatrix("_ShadowLauncherMatrix", transform.worldToLocalMatrix);//保存将世界坐标转换到光源坐标的矩阵Shader.SetGlobalVector("_ShadowLauncherParam", new Vector4(mCamera.orthographicSize, mCamera.nearClipPlane, mCamera.farClipPlane));//存储相机内参}
}

ShaderDepth.shader

Shader "Custom/ShaderDepth"
{SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }Offset 1,1 //绘制深度时候偏移一点位置Pass{}}
}

3.配置接受物体的shader

ShaderRecieve.shader

Shader "Custom/ShadowRecieve"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_BaseColor ("BaseColor", Color) = (1,1,1,1)}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag// make fog work#pragma multi_compile_fog#pragma enable_d3d11_debug_symbols#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 shadowUV : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv:TEXCOORD0;UNITY_FOG_COORDS(1)float4 vertex : SV_POSITION;float4 shadowPos:TEXCOORD1;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;sampler2D _ShadowMap;float4x4 _ShadowLauncherMatrix;float3 _ShadowLauncherParam;float4 _BaseColor;//基于shadowmap的硬阴影float HardShadow(v2f i){float4 shadow = tex2Dproj(_ShadowMap,i.shadowPos);//拿到坐标在光源场景下的深度float shadowAlpha = shadow.r;//拿到深度值float2 clipalpha = saturate((0.5-abs(i.shadowPos.xy - 0.5))*20);//限定在0-1之间shadowAlpha *= clipalpha.x * clipalpha.y;float depth = 1-UNITY_SAMPLE_DEPTH(shadow);shadowAlpha*=step(depth,i.shadowPos.z);//如果depth<shadowPos就没有被遮挡return shadowAlpha;}v2f vert(appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);//MVP矩阵float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);//模型空间转换到世界空间,相当于进行了model矩阵float4 shadowPos = mul(_ShadowLauncherMatrix,worldPos);//从世界坐标到光源坐标shadowPos.xy = (shadowPos.xy/_ShadowLauncherParam.x+1)/2;//再将-1,1范围转换到0,1范围用于读取shadowMap中的深度shadowPos.z = (shadowPos.z / shadowPos.w - _ShadowLauncherParam.y)  / (_ShadowLauncherParam.z - _ShadowLauncherParam.y);//初始化深度o.shadowPos = shadowPos;o.uv = TRANSFORM_TEX(v.shadowUV, _MainTex);//读取uv//UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}      float4 frag(v2f i):SV_Target{float4 color = tex2D(_MainTex,i.uv);//拿到主颜色float shadowAlpha=0.0;shadowAlpha = HardShadow(i);  color.rgb *=(1-shadowAlpha)*_BaseColor.rgb;//阴影能见度加上材质本身的颜色return color;}ENDCG}}
}

PCF

泊松盘采样原理
PCF的本质就是每个点的阴影值都取决于附近区域的shadowMap进行采样后，再做卷积的结果，但是如果对周围区域每一个像素都算一遍shaodowMap性能开销很大，因此需要用到随机采样。

泊松盘采样

//采样点个数(泊松盘)
#define NUM_SAMPLES 150
//采样的圈数(泊松盘)
#define NUM_RINGS 10
#define pi 3.141592653589793
#define pi2 6.283185307179586float2 poissonDisk[NUM_SAMPLES];float rand_2to1(float2 uv )
{ // 0 - 1const float a = 12.9898, b = 78.233, c = 43758.5453;float dt = dot( uv.xy, float2( a,b ) ), sn = fmod( dt, pi );return frac(sin(sn) * c);
}
void poissonDiskSamples(const in float2 randomSeed )
{float ANGLE_STEP = pi2 * float( NUM_RINGS ) / float( NUM_SAMPLES );float INV_NUM_SAMPLES = 1.0 / float( NUM_SAMPLES );float angle = rand_2to1( randomSeed ) * pi2;//随机初始角float radius = INV_NUM_SAMPLES;float radiusStep = radius;for( int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i ++ ){poissonDisk[i] = float2( cos( angle ), sin( angle ) ) * pow( radius, 0.75 );radius += radiusStep;//递增半径angle += ANGLE_STEP;//递增角度}
}

PCF代码

        float PCF(v2f i){float4 shadowCoord = i.shadowPos;poissonDiskSamples(shadowCoord.xy);float textureSize = 2048.0;//shadowMap大小float filterStride = 5.0;float filterRange = filterStride/textureSize;int unBlockCount = 0;float shadowAlpha=0.0;for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;i++){float2 sampleCoord = poissonDisk[i]*filterRange+shadowCoord.xy;//泊松偏移乘以采样间隔再加上原点位置float shadow = tex2D(_ShadowMap,sampleCoord);shadowAlpha = shadow.r;float2 clipalpha = saturate((0.5-abs(sampleCoord - 0.5))*20);//限定在0-1之间shadowAlpha *= clipalpha.x * clipalpha.y;//阴影区域裁剪float depth = 1-UNITY_SAMPLE_DEPTH(shadow);if(depth+0.005<shadowCoord.z)//避免自遮挡{unBlockCount++; //计算未被遮挡的采样点数量}}return float(unBlockCount)/float(NUM_SAMPLES)*shadowAlpha;//阴影值为未遮挡概率}

PCSS

PCSS主要分为三部:
1.查找每一个像素的平均深度, 这个过程和pcf很像只不过是统计的是Block而不是unBlock。
2.根据公式就是那个该像素点的Blocker平均深度，计算软阴影的大小。wPenumbra=(dReceiver−dBlocker)∗wLightdBlockerw_{Penumbra}=\frac{(d_{Receiver}-d_{Blocker})*w_{Light}}{d_{Blocker}} wPenumbra=dBlocker(dReceiver−dBlocker)∗wLight
3.正常计算PCF。
findBlocker找到平均深度：

float _findBlocker(float4 shadowPos,float3 normal){float4 shadowCoord = shadowPos;poissonDiskSamples(shadowCoord.xy);float textureSize = 2048.0;//注意 block 的步长要比 PCSS 中的 PCF 步长长一些，这样生成的软阴影会更加柔和float filterStride = 20.0;float filterRange = 1.0 / textureSize * filterStride;int shadowCount = 0;float blockDepth = 0.0;for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;i++){float2 sampleCoord = poissonDisk[i]*filterRange+shadowCoord.xy;float shadow = tex2D(_ShadowMap,sampleCoord);float depth = 1-UNITY_SAMPLE_DEPTH(shadow);//计算动态bias(根据光源和法线的夹角动态调整bias)float bias=min(0.009*(abs(1-dot(normal,_ShadowLightDirection))),0.0005);//将dot的0-1取值归一化到0-0.009if(depth+bias<shadowCoord.z){blockDepth+=depth;shadowCount++; //计算未被遮挡的采样点数量}}if(shadowCount==NUM_SAMPLES)return 3.0;return blockDepth/float(shadowCount);}

PCSS:

float PCSS(v2f i){float4 shadowCoord = i.shadowPos;// STEP 1: avgblocker depth    float3 normal = normalize(i.normal);//用于计算动态biasfloat zBlocker = _findBlocker(shadowCoord,normal);//if(zBlocker<EPS)return 0.0;//if(zBlocker>1.0)return 1.0;// STEP 2: penumbra sizefloat W_LIGHT=1.0;float wPenumbra = (shadowCoord.z-zBlocker) * W_LIGHT / zBlocker;// STEP 3: PCFfloat textureSize = 1024.0;float filterStride = 10.0;float filterRange = filterStride/textureSize*wPenumbra;//用距离光源的距离控制软阴影大小int unBlockCount = 0;float shadowAlpha=0.0;for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;i++){float2 sampleCoord = poissonDisk[i]*filterRange+shadowCoord.xy;float shadow = tex2D(_ShadowMap,sampleCoord);shadowAlpha = shadow.r;float2 clipalpha = saturate((0.5-abs(sampleCoord - 0.5))*20);//限定在0-1之间shadowAlpha *= clipalpha.x * clipalpha.y;//阴影区域裁剪float depth = 1-UNITY_SAMPLE_DEPTH(shadow);//计算动态bias(根据光源和法线的夹角动态调整bias)float bias=max(0.01*(1-abs(dot(normal,_ShadowLightDirection))),0.005);//将dot的0-1取值归一化到0-0.009if(depth+bias<shadowCoord.z){unBlockCount++; //计算未被遮挡的采样点数量}}return float(unBlockCount)/float(NUM_SAMPLES)*shadowAlpha;}

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