Unity实时阴影实现图解
发表于2017-02-18
Unity大中华区技术支持团队近年来为国内Unity用户提供了高质量的技术支持服务，本文将由该团队的技术支持工程师张陈渊，根据自己的丰富经验，为大家分享在Unity中实现实时阴影的方法。
光照在游戏作品中的重要地位早已不容忽视，阴影与光的实现技术一直在高效与真实之间左右权衡着。下面主要通过一个具体的问题探讨Unity实时阴影的内部实现。
两种阴影实现方式
Unity有两种阴影实现方式：烘培阴影与实时阴影。
烘培是一种离线计算，它采用光线追踪算法来模拟现实世界中光的物理特性，如反射，折射及衰减，光无法到达的地方皆为阴影；实时阴影是一种更加精简的模拟，它忽略掉了光的众多物理特性，利用数学方法人为地去制造阴影。您可以通过下图更形象地了解到两种阴影之间的计算区别。
烘焙过程中，光线无法到达的地方成为阴影
实时阴影更像人为地绘制，将灯光角度无法看到的区域，绘制上阴影的颜色
烘培阴影是光线追踪算法的自然产物，准确无误，真实过渡。但由于其计算量巨大，阻碍了它在游戏中的实时运用。不能实时运用并不代表光线追踪不能应用到游戏中，实际上游戏中存在大量静止的物体，如场景中的地形，房屋等，在灯光不变的情况下，这些物体产生的阴影也是固定不变的。
由于这种需求普遍存在，Unity的烘焙系统随之诞生：通过离线计算，生成记录光照信息的Lightmap，渲染静态物体时采样Lightmap，进而产生较真实的阴影效果。对于动态物体而言，Unity使用Shadow Mapping技术，高效地产生实时阴影。由于篇幅限制，本文我们主要通过一个具体的问题探讨一下Unity实时阴影的内部实现。
实时阴影的内部实现
有企业级客户提到这样一个问题：半透明物体的阴影效果是如何实现的？
回答这个问题之前，有必要先了解Unity实现不透明物体阴影的基本原理。为了简化问题，假设场景中只有两个物体，石头A和地面B。
为了最快速地分析图像问题，我们列举一下渲染流程：首先，从摄像机角度生成A与B的深度值到Depth Buffer深度缓冲中。
接下来，从灯光视角生成A与B的深度到Shadowmap深度图，这里有四张深度图，可以认为是不同的精度。
3，4：近视角高精度；1，2：远视角低精度
然后进入整个流程的核心部分，利用上面两个步骤的数据生成Screen Space Shadow Mask纹理，基本方法为：通过深度缓冲可将屏幕空间的点还原到世界空间，然后将此世界空间坐标转换到灯光视角空间，投影之后的Z值再与对应深度图的值进行比较，如果大于深度图，说明此屏幕空间上的点是阴影。
最后一步，渲染A和B到Color Buffer颜色缓冲中，将世界空间的点转换到屏幕空间，采样Screen Space Shadow Mask纹理得出阴影，最后可根据自定义需求，与材质颜色进行相应的混合得出最终的阴影显示效果。
那么，现在开始进入正题了，之所以会有人问半透明物体的阴影如何产生，其根源在于：虽然半透明物体可以不写深度缓冲，但必须写深度图，那么半透明物体的深度值如何写入深度图呢？
众所周知，写深度这一操作，只有两种方式，写与不写：对于不透明的物体来说，深度一直写；对于半透明的物体来说，假设透明度是alpha，alpha=0不写，alpha=1写，那么alpha=0.5究竟写还是不写呢?
带着这个问题，让我们来看看Unity的标准Shader是如何处理的。
上边代码的红框决定深度是否写入一张3D纹理，如变量_DitherMaskLOD。设置变量vpos和alpha对3D纹理进行采样，vpos为正交或透视投影产生的结果，alpha为半透明物体对应的alpha值。由于vpos是变化的，即使alpha都为0.5，采样的结果也会不同，由此来决定此像素是否剔除。
制作这张3D抖动纹理时一定要保证alpha为0或1时采样的结果是固定，alpha大于0.5时，采样到1的概率偏大，alpha小于0.5时，采样到0的概率偏大。通过查看内存，此3D纹理可视化后是这样的：
讲到这里，这个问题的答案已呼之欲出：实时半透明物体阴影与不透明物体阴影在实现上并没有太多区别，只是在生成灯光视角的深度图上，半透明物体在Pixel Shader阶段会采样一张3D抖动纹理，来随机决定此像素是否输出，进而产生近似的半透明阴影效果。
这个算法有一个缺点，由于使用视角数据来采样抖动纹理，所以当视角变化时，阴影必然会有明显的抖动。
解决抖动的优化办法，留给大家去思考。
结束语
关于Unity中实现实时阴影的问题，由于篇幅有限，本文其实只讲到了冰山一角，还有很多其他的阴影有关的话题，如烘培阴影会使用Shader吗？它会利用到GPU吗？我们会经常分享更多的Unity相关技术剖析在Unity官方中文社区（forum.china.unity3d.com），请保持关注！
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实时阴影
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