Unity实时阴影的内部实现

 
烘焙过程中，光线无法到达的地方成为阴影

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。

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。