阴影是如何实现的

作者：追风剑情发布于：2016-11-2 21:04 分类：Shader

我们可以先考虑真实生活中阴影是如何产生的。当一个光源发射的一条光线遇到一个不透明物体时，这条光线就不可以再继续照亮其他物体(这里不考虑光线反射)。因此，这个物体就会向它旁边的物体投射阴影，那些阴影区域的产生是因为光线无法到达这些区域。

在实时渲染中，我们最常见使用的是一种名为Shadow Map的技术。这种技术理解起来非常简单，它会首先把摄像机的位置放在与光源重合的位置上，那么场景中该光源的阴影区域就是那些摄像机看不到的地方。而Unity就是使用的这种技术。

在前向渲染路径中，如果场景中最重要的平行光开启了阴影，Unity就会为该光源计算它的阴影映射纹理(shadowmap)。这张阴影映射纹理本质上也是一张深度图，它记录了从该光源的位置出发、能看到的场景中距离它最近的表面位置(深度信息)。

那么，在计算阴影纹理时，我们如何判定距离它最近的表面位置呢？一种方法是，先把摄像机放置到光源的位置上，然后按正常的渲染流程，即调用Base Pass和Additional Pass来更新深度信息，得到阴影映射纹理。但这种方法会对性能造成一定的浪费，因为我们实际上仅仅需要深度信息而已，而Base Pass和Additional Pass中往往涉及很多复杂的光照模型计算。因此，Unity选择使用一个额外的Pass来专门更新光源的阴影映射纹理，这个Pass就是LightMode标签被设置为ShadowCaster的Pass。这个Pass的渲染目标不是帧缓存，而是阴影映射纹理(或深度纹理)。Unity首先把摄像机放置到光源的位置上，然后调用该Pass，通过对顶点变换后得到光源空间下的位置，并据此来输出深度信息到阴影映射纹理中。因此，当开启了光源的阴影效果后，底层渲染引擎首先会在当前渲染物体的Unity Shader中找到LightMode为ShadowCaster的Pass，如果没有，它就会在Fallback指定的Unity Shader中继续寻找，如果仍然没有找到，该物体就无法向其他物体投射阴影(但它仍然可以接收来自其他物体的阴影)。当找到了一个LightMode为ShadowCaster的Pass后，Unity会使用该Pass来更新光源的阴影映射纹理。

在传统的阴影映射纹理的实现中，我们会在正常渲染的Pass中把顶点位置变换到光源空间下，以得到它在光源空间中的三维位置信息。然后，我们使用xy分量对阴影映射纹理进行采样，得到阴影映射纹理中该位置的深度信息。如果该深度值小于该顶点的深度值(通常由z分量得到)，那么说明该点位于阴影中。但在Unity5中，Unity使用了不同于这种传统的阴影采样技术，即屏幕空间的阴影映射技术(Screenspace Shadow Map)。屏幕空间的阴影映射原本是延迟渲染中产生阴影的方法。需要注意的是，并不是所有的平台Unity都会使用这种技术。这是因为，屏幕空间的阴影映射需要显卡支持MRT，而有些移动平台不支持这种特性。

当使用了屏幕空间的阴影映射技术时，Unity首先会通过调用LightMode为ShadowCaster的Pass来得到可投射阴影的光源的阴影映射纹理以及摄像机的深度纹理。然后，根据光源的阴影映射纹理和摄像机的深度纹理来得到屏幕空间的阴影图。如果摄像机的深度图中记录的表面深度大于转换到阴影映射纹理中的深度值，就说明该表面虽然是可见的，但是却处于该光源的阴影中。通过这样的方式，阴影图就包含了屏幕空间中所有有阴影的区域。如果我们想要一个物体接收来自其他物体的阴影，只需要在Shader中对阴影图进行采样。由于阴影图是屏幕空间下的，因此，我们首先需要把表面坐标从模型空间变换到屏幕空间中，然后使用这个坐标对阴影图进行采样即可。

总结一下，一个物体接收来自其他物体的阴影，以及向其他物体投射阴影是两个过程。

如果我们想要一个物体接收来自其他物体的阴影，就必须在Shader中对阴影映射纹理(包括屏幕空间的阴影图)进行采样，把采样结果和最后的光照结果相乘来产生阴影效果。
如果我们想要一个物体向其他物体投射阴影，就必须把该物体加入到光源的阴影映射纹理的计算中，从而让其他物体在对阴影映射纹理采样时可以得到该物体的相关信息。在Unity中，这个过程是通过为该物体执行LightMode为ShadowCaster的Pass来实现的。如果使用了屏幕空间的投影映射技术，Unity还会使用这个Pass产生一张摄像机的深度纹理。

标签: Shader