【Shader】色调映射、视差贴图与实时阴影

一、色调映射（Tone Mapping）

为什么需要色调映射？

高动态范围图像（HDR）能够达到 $2^{16}$ 甚至更高数量级的亮度，而一般显示器只能表示 $2^{8}$ 的亮度值，因此往往会因为光照强度过大而造成的过暗/过曝光问题。

色调映射在做什么？

色调映射能够将原本大幅度的亮度与对比度衰减至显示器可以显示的范围内，同时仍然保存有原本图像细节与颜色等重要信息。

通常在后处理阶段使用。

色调映射的一种函数：ACES

使用小技巧（我不理解，但我先记）

//对Diffuse接收的color做线性空间的转换
base_color = pow(base_color, 2.2);
//再把最后的结果转回伽马空间
tone_color = pow(tone_color, 1.0 / 2.2);//拿取Unity内置环境光
//Windows → Rendering → Lighting调整光源设置
float3 Ambient_color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * base_color;

二、视差贴图（Parallax Mapping）

为什么需要视差贴图？

法线贴图只能在明暗效果上作假（模拟凹凸），而无法控制表面的凹凸程度，因此法线贴图无法模拟物体与物体间的遮挡关系。这就是视差贴图所要解决的问题，它可以让背面被遮挡住的部分完全不显示出来，除此之外还能在一定范围内调整砖块凹凸的程度。但视差贴图也只是模拟作假，并没有真的改变模型表面。

什么是视差贴图？

视差贴图本质上，也是一种位移贴图（Displacement Mapping）。它的原理是根据视线方向，对当前看到的像素位置进行一定的坐标偏移，显示偏移过后的像素颜色。

我们想要观察到物体间的遮挡信息，当我们看向点A时，应该显示的是点B的纹理信息，然而单单存在法线贴图无法实现这一点，于是，我们就需要通过某种计算方法，将真正看到的点A计算到应该看到的点B，对点B的纹理采样显示。

怎样实现纹理坐标的偏移？

我们需要使用一张高度贴图来读取模型本身的高度信息，将视线方向从世界空间转换到切线空间内，对UV方向进行偏移操作。

利用TBN矩阵将世界空间的vDir转换成切线空间下的向量P，计算出uv方向上的偏移长度。

//采样一张高度图
float height = tex2D(_ParallaxMap, i.uv);//构建TBN矩阵
float3 nDir = normalize(i.normal_Dir);
float3 tDir = normalize(i.tangent_Dir);
float3 bDir = normalize(i.binormal_Dir);
float3x3 TBN = float3x3(tDir, bDir, nDir);//将vDir转换到切线空间下
float3 vDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.pos_WS);
float3 vDir_TS = normalize(mul(TBN, vDir));//偏移值计算，_ParallaxModify为修正值
float2 uv_parallax = i.uv - vDir_TS.xy / vDir_TS.z * height * _ParallaxModify;

在实际应用中，往往更多的利用深度图（即1-height得到凹凸信息）来进行偏移计算，因为在平面的理解上，深度比高度更具有实际意义。

参考：LearnOpenGL - Parallax Mapping

三、实时阴影

传统实时阴影（Shadow Map）

1.阴影生成Pass：

①额外设置一个摄像机在光源位置（Light Camera，光源摄像机），并且朝光照方向看去。

②用一张 Texture（称为阴影贴图 Shadow Map）来记录 Light Camera 所看到的像素深度（每个像素位置只记录所见最近深度，而不用做别的 shading 计算）来作为遮挡深度。

2.渲染Pass：

①主摄像机需要渲染屏幕每个像素时，该像素对应的世界坐标进行 Light Camera 的MVP变换后能得到在 Light Camera 屏幕空间中的对应位置 $shadowCoord=({x}',{y}',{z}')$ 。

②Shadow Map 里用 $({x}',{y}')$ 采样得到的遮挡深度 depthdepth 与深度值 ${z}'$ 做比较：若 $depth<{z}'$ (意味着该像素的光被遮挡)，这时就可以对该像素降低可见度(Visibility)。

//Unity内置函数实现1 → 该方法不带光源衰减
//输出结构
struct v2f
{SHADOW_COORDS(5)
};//输出函数
v2f vert (appdata v)
{v2f o;TRANSFER_SHADOW(o);return o;
}//片元Shader
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{float shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);float3 diffuse_term = min(shadow, max(0.0, dot(nDir, lDir)));float3 Diffuse = diffuse_term * base_color * _LightColor0;float3 Specular = pow(max(0.0, dot(lrDir, vDir)), _SpecPow) * _SpecIntensity * _LightColor0 * diffuse_term;float3 finalRGB = Diffuse + Specular + Ambient_color;return float4(finalRGB, 1.0);
}//加上Fallback
Fallback "Diffuse"//Unity内置函数实现2 → 该方法能够处理光源衰减
//输出结构
struct v2f
{LIGHTING_COORDS(5,6)
};//输出函数
v2f vert (appdata v)
{v2f o;TRANSFER_VERTEX_TO_FRAGMENT(o);return o;
}//片元Shader
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{float attenuation = LIGHT_ATTENUATION(i);float3 lDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);float3 lDir_point = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.pos_WS);//_WorldSpaceLightPos0.w可以帮助判断光源类型lDir = lerp(lDir, lDir_point, _WorldSpaceLightPos0.w);float3 diffuse_term = min(attenuation, max(0.0, dot(nDir, lDir)));float3 Diffuse = diffuse_term * base_color * _LightColor0;float3 Specular = pow(max(0.0, dot(lrDir, vDir)), _SpecPow) * _SpecIntensity * _LightColor0 * diffuse_term;float3 finalRGB = Diffuse + Specular + Ambient_color;return float4(finalRGB, 1.0);
}//加上Fallback
Fallback "Diffuse"

联级阴影（Cascaded Shadow Map，CSM）

当 Shadow Mapping 应用在大型场景中时，一张正常分辨率大小（如1024×1024）的贴图用来记录整个大型场景的阴影深度信息是非常不精确的，尤其是在靠近主摄像机的地方所看到的阴影将是严重失真的（一块块栅格）。

Cascade Shadow Map（CSM） 借鉴了 LOD 的思想，对主摄像机的视锥体范围进行了划分，然后对每个划分区域采用相同分辨率大小的 Shadow Map，这意味着：离主摄像机比较近的地方往往区域面积是比较小的，这样 Shadow Map 能够表示的深度信息就更精确些，看到的阴影效果也更真实；离主摄像机比较远的地方往往区域面积是比较大的，虽然使用相同分辨率的 Shadow Map 能够表示的深度信息比较不精确，但对于远处的物体来说，这种不准确是可以接受的。

CSM 的代价很明显，即划分了多少层区域，就要使用多少倍数量的 Shadow Map。

参考：实时阴影技术（Real-time Shadows） - KillerAery - 博客园