文章目录

思路
实践
- 获取光源空间ShadowMap[A]
- 获取屏幕空间的深度图[B]
- 获取SSSM(Screen Space Shadow Map)
- - 绘制一个全屏的Quad[C]
  - 输出SSSM RT Shader
  - - 在全屏Quad[C]里，制作将屏幕空间深度重建屏幕世界坐标[D]
    - 在将屏幕的世界坐标[D]转换到光源空间下的坐标[E]
    - 比较[E]与[A]对应的Shadow Map深度，确定是阴影的将在Quad[C]写入屏幕阴影像素
    - 完成的输出SSSM RT Shader
- 接收阴影处理：对SSSM采样
运行效果
- FrameDebugger查看三大绘制过程
屏幕空间的优缺点
- 优点
- 缺点
Project

刚学习了Shadow Map的原理： Unity Shader - Custom DirectionalLight ShadowMap 自定义方向光的ShadowMap

现在试试实现SSSM。

思路

先拿到光源空间下的 ShadowMap，具体，可以参考：Unity Shader - Custom DirectionalLight ShadowMap 自定义方向光的ShadowMap
再拿到屏幕空间的深度图，具体，可以参考：Unity Shader - 获取BuiltIn深度纹理和自定义深度纹理的数据
绘制一个全屏的Quad，并且将屏幕空间的深度图与光源空间的ShadowMap阴影图，计算出屏幕空间的阴影图。进一步说明就是：将屏幕空间的深度重构一下世界坐标，再构建出世界坐标懂光源你空间的坐标，将深度的世界坐标通过世界到光源矩阵转换光源空间下，这时再比较深度来判定是否在阴影中。最后将这个全屏Quad的渲染目标到一个RT，叫做：SSSM（Screen Space Shadow Map）阴影图。
接收阴影处理：对SSSM采样。将SSSM阴影图进shader全局uniform，渲染其他的接收阴影的对象时，将顶点坐标做到屏幕坐标，传入FS，插值后的屏幕坐标来采样SSS阴影图，采样得到的衰减数据与光照做混合计算即可。

实践

获取光源空间ShadowMap[A]

先拿到光源空间下的 ShadowMap，具体，可以参考：Unity Shader - Custom DirectionalLight ShadowMap 自定义方向光的ShadowMap

获取屏幕空间的深度图[B]

再拿到屏幕空间的深度图，具体，可以参考：Unity Shader - 获取BuiltIn深度纹理和自定义深度纹理的数据

获取SSSM(Screen Space Shadow Map)

绘制一个全屏的Quad[C]

参考之前写的一个：Unity Shader - 模仿RenderImage制作全屏Quad

输出SSSM RT Shader

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {// to world from depthfloat linear01depth = (DecodeFloatRG(tex2D(_CustomDepthMap, i.uv).rg));float3 wp = _WorldSpaceCameraPos.xyz + i.ray * linear01depth;// return float4(wp, 1);// world to lightspace// 取得当前绘制顶点相对光源空间下的坐标，即：阴影映射坐标float4 shadowCoord = mul(_CustomShadowMapLightSpaceMatrix, float4(wp, 1));// output SSSM attenreturn GetAtten(shadowCoord);}

在全屏Quad[C]里，制作将屏幕空间深度重建屏幕世界坐标[D]

参考：Unity Shader - 根据片段深度重建片段的世界坐标

                // to world from depthfloat linear01depth = (DecodeFloatRG(tex2D(_CustomDepthMap, i.uv).rg));float3 wp = _WorldSpaceCameraPos.xyz + i.ray * linear01depth;// return float4(wp, 1);

在将屏幕的世界坐标[D]转换到光源空间下的坐标[E]

                // world to lightspace// 取得当前绘制顶点相对光源空间下的坐标，即：阴影映射坐标float4 shadowCoord = mul(_CustomShadowMapLightSpaceMatrix, float4(wp, 1));

比较[E]与[A]对应的Shadow Map深度，确定是阴影的将在Quad[C]写入屏幕阴影像素

                // output SSSM attenreturn GetAtten(shadowCoord);

完成的输出SSSM RT Shader

// jave.lin 2020.04.14 - 根据屏幕深度重构世界坐标 - output SSSM atten
Shader "Custom/ReconstructSSSMFromDepth" {SubShader {Pass {CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata {float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;uint vid : SV_VertexID;};struct v2f {float4 vertex : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 ray : TEXCOORD1;};// reconstruct depth variablessampler2D _CustomDepthMap;float4x4 _Ray;// shadow map veriablesfloat4 _CustomShadowMap_TexelSize;sampler2D _CustomShadowMap;float4x4 _CustomShadowMapLightSpaceMatrix;float _CustomShadowStrengthen;float _CustomShadowBias;int _CustomShadowSmoothType;float _CustomShadowPCFSpread;float _CustomShadowBlurDistance;float _CustomShadowBlurWeight[25];// 获取光照衰减系数float GetAtten(float4 shadowCoord) {float2 uv =  shadowCoord.xy / shadowCoord.w;uv = uv * 0.5 + 0.5; // (-1,1)->(0,1)// clamp to edge color : 1if (uv.x > 1 || uv.y > 1 || uv.x < 0 || uv.y < 0) return 1;float fragDepth = shadowCoord.z / shadowCoord.w;#if defined (SHADER_TARGET_GLSL)fragDepth = fragDepth * 0.5 + 0.5; // (-1,1)->(0,1)#elif defined (UNITY_REVERSED_Z)fragDepth = 1 - fragDepth; // (1,0)->(0,1)#endifif (fragDepth > 1) return 1;float strengthen = _CustomShadowStrengthen;float atten = 1;if (_CustomShadowSmoothType == 0) {// hardfloat shadowMapDepth = DecodeFloatRG(tex2D(_CustomShadowMap, uv).xy);if (fragDepth - _CustomShadowBias > shadowMapDepth) {atten = 1 - strengthen;}} else if (_CustomShadowSmoothType == 1) {// PCFs_Likefloat2 offset = 0;float minus_step = strengthen / 9.0;for(int i = -1; i < 2; ++i) {for(int j = -1; j < 2; ++j) {offset = float2(i, j) * _CustomShadowMap_TexelSize.xy * _CustomShadowPCFSpread;float shadowMapDepth = DecodeFloatRG(tex2D(_CustomShadowMap, uv + offset).xy);if (fragDepth - _CustomShadowBias > shadowMapDepth) {atten -= minus_step;}}}} else if (_CustomShadowSmoothType == 2) {// SDFs_Likefloat center_shadowMapDepth = DecodeFloatRG(tex2D(_CustomShadowMap, uv).xy);float distance = 1;if (fragDepth - _CustomShadowBias > center_shadowMapDepth) {distance = saturate(fragDepth- _CustomShadowBias - center_shadowMapDepth);distance /= _CustomShadowBlurDistance;}float2 offset = 0;float w = 0;float idx = 0;int i =0, j=0;for(i = -2; i < 3; ++i) {for(j = -2; j < 3; ++j) {idx = (j+2) + (i+2) * 5;w = _CustomShadowBlurWeight[idx];w *= strengthen;offset = float2(i, j) * _CustomShadowMap_TexelSize.xy * _CustomShadowPCFSpread * distance;float shadowMapDepth = DecodeFloatRG(tex2D(_CustomShadowMap, uv + offset).xy);if (fragDepth - _CustomShadowBias > shadowMapDepth) {atten -= w;}}}}return atten;}v2f vert (appdata v) {v2f o;// CSharp层脚本的第三个z分量最好不要在这里设置// 最好在shader中判断是GL还是DX平台来设置为近截面的z值就好// jave.lin : 在这里我们处理GL与DX的差异// GL的Z：-1~1，DX的Z：0~1#if defined (SHADER_TARGET_GLSL)v.vertex.z = -1;#elsev.vertex.z = 0;#endifo.vertex = v.vertex;o.uv = v.uv;o.ray = _Ray[v.vid];return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {// to world from depthfloat linear01depth = (DecodeFloatRG(tex2D(_CustomDepthMap, i.uv).rg));float3 wp = _WorldSpaceCameraPos.xyz + i.ray * linear01depth;// return float4(wp, 1);// world to lightspace// 取得当前绘制顶点相对光源空间下的坐标，即：阴影映射坐标float4 shadowCoord = mul(_CustomShadowMapLightSpaceMatrix, float4(wp, 1));// output SSSM attenreturn GetAtten(shadowCoord);}ENDCG}}
}

接收阴影处理：对SSSM采样

// jave.lin 2020.04.14 接收SSSM（Screen Space Shadow Map）阴影
Shader "Custom/ReceiveSSSM" {Properties {_MainTex ("MainTex", 2D) = "white" {}_MainColor ("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)}CGINCLUDE#include "UnityCG.cginc"#include"Lighting.cginc"sampler2D _MainTex;fixed4 _MainColor;// shadowsampler2D _ScreenSpaceShadowMap;            // sssmint _CustomShadowSmoothType;                // shadow 的边界平滑模式int _CustomShadowEnable;                    // shaodw 是否开启// lightingint _CustomLightEnable;                     // 光照是否开启int _CustomLightHalfLambert;                // 光照是否开启 half lambertint _CustomShadowMixToLight;                // shadow 混合到光照struct a2v {float4 vertex : POSITION;half3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f {float4 vertex : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float4 shadowCoord : TEXCOORD1;half3 worldNormal : TEXCOORD2;float3 worldPos : TEXCOORD3;float4 screenPos : TEXCOORD4;};// 获取SSSM光照衰减系数float GetAtten(v2f i) {return tex2Dproj(_ScreenSpaceShadowMap, i.screenPos).r;}// 着色处理fixed4 shading(v2f i, float atten) {if (_CustomLightEnable) {// code here:// ambient// diffuse// specular// etc ...// albedofixed4 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv);i.worldNormal = normalize(i.worldNormal);//viewDir后面高光用half3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos);half3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);// ambientfixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * albedo.rgb;// diffusefixed LdotN = dot(lightDir, i.worldNormal);fixed diffuse = _CustomLightHalfLambert ? LdotN * 0.5 + 0.5 : max(0, LdotN);// specularfixed specular = 0;bool appliedAtten = appliedAtten = atten == 1; // Hardif (_CustomShadowMixToLight) {// PCFs_Like || SDFs_Likeif (_CustomShadowSmoothType == 1 || _CustomShadowSmoothType == 2) {appliedAtten = true; // 意味着模糊边缘的话，specular会乘上atten来衰减}}if (LdotN > 0 && appliedAtten) {half3 hDir = normalize(viewDir + lightDir);fixed HdotN = max(0, dot(hDir, i.worldNormal));specular = pow(HdotN, 64);}fixed4 combinedCol = 0;// ambient 是模拟各个方向的光所以不需要attencombinedCol.xyz = ambient + diffuse * atten * albedo.rgb * _LightColor0.rgb * _MainColor.rgb +specular * atten * _LightColor0.rgb;return combinedCol;} else {return tex2D(_MainTex, i.uv) * _MainColor * atten;}}v2f vert (a2v v) {v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = v.uv;o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);o.screenPos = ComputeScreenPos(o.vertex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {float atten = _CustomShadowEnable ? GetAtten(i) : 1;return shading(i, atten);}ENDCGSubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" "MyShadowMap"="1" }Pass {CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragENDCG}}
}

运行效果

但是Scene视图中的阴影就有问题了。
具体什么原因不知道，但我就不纠结了。如下图：

FrameDebugger查看三大绘制过程

屏幕空间的优缺点

优点

貌似还不知道有点有啥用，为了研究一下而学习。（有可能是为了可以根据深度容差来区别阴影边缘 + 阴影模糊，就可以比较轻松的做到“软”阴影的效果）

但看到有些文章说是为了所CSM（cascade shadow map）而用的（那意思：不在屏幕空间下做不可以了？显然不是的，因为CSM的整体思路就是对绘制的片段在世界坐标下与镜头的距离来做SM的层级的选择确定后再采样的，所以屏幕空间阴影有什么优点，我也暂时没有兴趣了解，后面那天需要用到，我再去细究）

缺点

没写如深度的物体间接受不了阴影。如：半透明。

在非SSSM中，我们可以对半透明物体采样Shadow map来着色阴影的，如下图：

虽然可以接收阴影了。
但是半透明的物体，没有投射阴影是很奇怪的。

Project

backup : UnityShader_CustomShadow_includeSSSM_2018.3.0f2

2021/10/21 在阅读 Unity 2019.4.30f1 的 URP 7.7.1 版本的 shader : Packages/com.unity.render-pipeline.universal/Shaders/Utils/ScreenSpaceShadows.shader 中的代码，发现有一段很简单的就描述了如何生成 SSSM：（已添加了一些注释便于阅读理解）

        half4 Fragment(Varyings input) : SV_Target{UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input);// jave.lin : 获取相机拍摄深度float deviceDepth = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, input.uv.xy).r;// jave.lin : 根据查看下图了解，不同的一些渲染平台，深度正值增长方向都可能有所不同
#if UNITY_REVERSED_ZdeviceDepth = 1 - deviceDepth;
#endifdeviceDepth = 2 * deviceDepth - 1; //NOTE: Currently must massage depth before computing CS position.// jave.lin : 将深度值 转换到 view space posfloat3 vpos = ComputeViewSpacePosition(input.uv.zw, deviceDepth, unity_CameraInvProjection);// jave.lin : 将 view space pos 转到 world space posfloat3 wpos = mul(unity_CameraToWorld, float4(vpos, 1)).xyz;// jave.lin : 将 world space world 转到 shadow/light space pos//Fetch shadow coordinates for cascade.float4 coords = TransformWorldToShadowCoord(wpos);// Screenspace shadowmap is only used for directional lights which use orthogonal projection.ShadowSamplingData shadowSamplingData = GetMainLightShadowSamplingData();half4 shadowParams = GetMainLightShadowParams();// 根据相关配置参数 + shadow space pos 采样 + 判断是否中阴影中return SampleShadowmap(TEXTURE2D_ARGS(_MainLightShadowmapTexture, sampler_MainLightShadowmapTexture), coords, shadowSamplingData, shadowParams, false);}

UNITY_REVERSED_Z 的宏定义在下面几个文件中有定义，可以自行搜索：

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