# 平行光阴影优化

之前在SRP里通过ShadowMap的方式实现了平行光阴影[(前置内容-平行光阴影实现)](https://github.com/wlgys8/SRPLearn/wiki/MainLightShadow)，但是并未对其做过优化。遗留的问题是:
> 随着摄像机FarClip增大，阴影质量急剧下降。

本篇将通过**ShadowDistance**和**Cascaded Shadow Map**来解决这个问题。

# 1. 问题产生的原因

假如摄像机从如下角度去观察场景:

<img src=".imgs/shadow/MainLight-Shadow.jpeg" width=500> 

平行光从左上角照射整个场景，其通过ShadowCaster Pass生成整个场景的ShadowMapTexture。对比观察ShadowMapTexture在不同的摄像机视距下呈现的样子:

<img src=".imgs/shadow/ShadowMapChangeWithFarClip.jpeg" width=500> 

从左到右，摄像机的FarClip依次为10，50，100

可以看出，随着视距增大，摄像机近处的东西在ShadowMapTexture中所占据的有效比例越来越低。因而导致阴影的采样精度也急剧下降。

那么为了解决这个问题，最直接的一个方案自然是控制单张ShadowMapTexture的有效范围。没必要让其随着摄像机视距无限的增大。

通常来说，近处物体在画面视觉中占比较大，因此阴影质量要求较高。而远处物体在画面中占比低，于是阴影质量要求低，甚至可以没有。

从这个角度出发，我们首先来保障近处物体的阴影质量，而超出一定距离的远处物体，则不产生阴影。

# 2. ShadowDistance限制

在SRP中，要控制ShadowMap的有效范围很简单。只要在场景裁剪那一步，配置一个shadowDistance:

```csharp
camera.TryGetCullingParameters( out var cullingParams);
cullingParams.shadowDistance = 100;
```

`shadowDistance = 100` 的意思是，我们强制按照100的距离来生成阴影映射贴图。否则的话，默认取的摄像机远裁剪平面距离。
实际上，我们可以再优化一下:
```csharp
cullingParams.shadowDistance = Mathf.Min(100,camera.farClipPlane - camera.nearClipPlane);
```

加上`shadowDistance`限制后就会发现，在SceneView里已经可以出现阴影了。(因为SceneView的摄像机远裁剪面通常会到好几万，没限制shadowDistance的时候，是无法正常生成阴影的)

但是虽然阴影可以显示，效果却差强人意。从前面的ShadowMapTexture效果图也能看出来，即便是100的视距，摄像机近处也只能占据一小块。
下面使用`Cascaded Shadow Mapping`技术做进一步优化。

# 3. Cascaded Shadow Mapping(级联阴影)

既然一张ShadowMap不够用，那就多来几张呗。级联阴影采用的就是这个思路。我们前面说了，近处对阴影质量高，远处对阴影质量低，因此级联阴影会针对不同距离，生成几张不同分辨率的ShadowMap。 大致如下图:

<img src="http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial49/img7.png">

上图箭头代表光照方向，根据将摄像机视锥根据距离分成几个不同区域，每个区域对应一张ShadowMap。分区的数量和距离都是可以通过参数动态调整的。 例如我们可以在累计100米的视距范围内，分别按`0~10`、`10~30`、`30~60`、`60~100`生成4张1024的ShadowMapTexture。 这意味着近距离使用了高分辨率的阴影映射贴图，远距离使用了低分辨率的阴影映射贴图。通常来说，我们会将这四张贴图并在一张大贴图上，形成Atlas。

下面使用SRP来实现，基于之前的代码进行改造。


首先看接口`CullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives` - [API文档传送](https://docs.unity3d.com/2019.1/Documentation/ScriptReference/Rendering.CullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives.html)

```csharp
public bool ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives(int activeLightIndex, int splitIndex, int splitCount, Vector3 splitRatio, int shadowResolution, float shadowNearPlaneOffset, out Matrix4x4 viewMatrix, out Matrix4x4 projMatrix, out Rendering.ShadowSplitData shadowSplitData);
```

解释一下之前被我们忽视的split相关的几个参数:

- splitIndex 表示Cascade的级别索引
- splitCount 表示当前最多几级Cascade
- splitRatio Vector3类型,x,y,z分别代表了1、2、3级Cascade针对视距的分割比例,剩余的(1 - x - y - z)表示4级Cascade占据的比例。 所以x+y+z不能超过1.
- shadowSplitData 会返回一些额外的Cascade信息，例如每个Cascade的CullingSpehere。

## 3.1 绘制Cascaded ShadowMap Texture

流程如下:

- 遍历级联阴影每个级别
- 计算该级别在Atlas对应的Viewport
- 通过CommandBuffer设置好ViewPort和View&Project矩阵
- 绘制ShadowMap到Atlas上

`ShadowCasterPass.Execute`中的关键代码如下:

```csharp
for(var i = 0; i < shadowSetting.cascadeCount; i ++){

    var x = i % cascadeAtlasGridSize;
    var y = i / cascadeAtlasGridSize;

    //计算当前级别的级联阴影在Atlas上的偏移位置
    var offsetInAtlas = new Vector2(x * cascadeResolution,y * cascadeResolution);

    //get light matrixView,matrixProj,shadowSplitData
    cullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives(lightData.mainLightIndex,i,shadowSetting.cascadeCount,
    cascadeRatio,cascadeResolution,lightComp.shadowNearPlane,out var matrixView,out var matrixProj,out var shadowSplitData);
    
    //generate ShadowDrawingSettings
    ShadowDrawingSettings shadowDrawSetting = new ShadowDrawingSettings(cullingResults,lightData.mainLightIndex);
    shadowDrawSetting.splitData = shadowSplitData;
    
    //设置cascade相关参数
    SetupShadowCascade(context,offsetInAtlas,cascadeResolution,ref matrixView,ref matrixProj);

    //绘制阴影
    context.DrawShadows(ref shadowDrawSetting);

    ///
    /// More Code..
    ///
}
```
- 级联阴影以nxn的方式，组成一张Atlas。例如4张级联阴影贴图，就以2x2的方式组成Atlas。
我们可以根据cascadeCount，来计算出n，表示为cascadeAtlasGridSize。
- cascadeResolution是级联阴影的分辨率，等于shadowMapResolution/cascadeAtlasGridSize
- 计算出每级cascade在Atlas上的偏移位置offsetInAtlas


这样我们就得到了一张Cascaded ShadowMap Texture:


<img src=".imgs/shadow/CasadedDepth.jpeg">

可以看出，由1到4，CascadeShadowMap所包含的场景范围越来越大。

有疑问如下:

使用Unity中`ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives`接口所产生的多级Cascade投影矩阵，似乎并不是按分段的方式进行区域分配的，而是一级套一级的方式，例如:

2级CascadeShadowMap的范围，实际上包含了1级的所有区域。而4级则包含了整个场景。暂不清楚这么做的原因。


## 3.2 传递相关参数给Shader

为了能正确从Cascaded ShadowMap Texture中采样，我们需要准备一些数据给Shader。

首先，我们把当前使用的级联阴影级数放在`_ShadowParams.w`中。

然后再看额外新增的两个参数:

```csharp
/// <summary>
/// 类型Matrix4x4[4]，表示每级Cascade从世界到贴图空间的转换矩阵
/// </summary>
public static readonly int WorldToMainLightCascadeShadowMapSpaceMatrices = Shader.PropertyToID("_XWorldToMainLightCascadeShadowMapSpaceMatrices");

/// <summary>
/// 类型Vector4[4],表示每级Cascade的空间裁剪包围球
/// </summary>
public static readonly int CascadeCullingSpheres = Shader.PropertyToID("_XCascadeCullingSpheres");

```

- _XCascadeCullingSpheres 用来记录每个级别的Cascade空间裁剪包围球，利用这个数据，我们可以在Shader的Fragment中利用像素世界坐标来计算每个像素到底应该属于哪一级的Cascade。
- _XWorldToMainLightCascadeShadowMapSpaceMatrices 用来记录每个级别的Cascade世界坐标到贴图坐标转化矩阵。

CascadeCullingSpheres表示每级Cascade的空间裁剪包围球，可以直接从`shadowSplitData`中直接获取:

```csharp
_cascadeCullingSpheres[i] = shadowSplitData.cullingSphere;
```

CascadeShadowMapSpaceMatrix表示每级Cascade从世界空间到贴图空间的转换矩阵，计算方式如下:

```csharp

///cascadeOffsetAndScale是归一化后的，cascade在atlas上的offset和scale参数
static Matrix4x4 GetWorldToCascadeShadowMapSpaceMatrix(Matrix4x4 proj, Matrix4x4 view,Vector4 cascadeOffsetAndScale)
{
    //检查平台是否zBuffer反转,一般情况下，z轴方向是朝屏幕内，即近小远大。但是在zBuffer反转的情况下，z轴是朝屏幕外，即近大远小。
    if (SystemInfo.usesReversedZBuffer)
    {
        proj.m20 = -proj.m20;
        proj.m21 = -proj.m21;
        proj.m22 = -proj.m22;
        proj.m23 = -proj.m23;
    }
    
    Matrix4x4 worldToShadow = proj * view;
    
    // xyz = xyz * 0.5 + 0.5. 
    // 即将xy从(-1,1)映射到(0,1),z从(-1,1)或(1,-1)映射到(0,1)或(1,0)
    var textureScaleAndBias = Matrix4x4.identity;
    //x = x * 0.5 + 0.5
    textureScaleAndBias.m00 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m03 = 0.5f;

    //y = y * 0.5 + 0.5
    textureScaleAndBias.m11 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m13 = 0.5f;

    //z = z * 0.5 = 0.5
    textureScaleAndBias.m22 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m23 = 0.5f;

    //再将uv映射到cascadeShadowMap的空间
    var cascadeOffsetAndScaleMatrix = Matrix4x4.identity;

    //x = x * cascadeOffsetAndScale.z + cascadeOffsetAndScale.x
    cascadeOffsetAndScaleMatrix.m00 = cascadeOffsetAndScale.z;
    cascadeOffsetAndScaleMatrix.m03 = cascadeOffsetAndScale.x;

    //y = y * cascadeOffsetAndScale.w + cascadeOffsetAndScale.y
    cascadeOffsetAndScaleMatrix.m11 = cascadeOffsetAndScale.w;
    cascadeOffsetAndScaleMatrix.m13 = cascadeOffsetAndScale.y;

    return cascadeOffsetAndScaleMatrix * textureScaleAndBias * worldToShadow;
}
```

## 3.3 Shader计算

Shader中，我们只需要依次从近到远，根据包围球来判定像素的世界坐标属于哪个级联阴影，并返回其采样深度。改造后的`WorldToShadowMapPos`函数如下:


```hlsl

#define ACTIVED_CASCADE_COUNT _ShadowParams.w

///将世界坐标转换到ShadowMapTexture空间,返回值的xy为uv，z为深度
float3 WorldToShadowMapPos(float3 positionWS){
    for(int i = 0; i < ACTIVED_CASCADE_COUNT; i ++){
        float4 cullingSphere = _XCascadeCullingSpheres[i];
        float3 center = cullingSphere.xyz;
        float radiusSqr = cullingSphere.w * cullingSphere.w;
        float3 d = (positionWS - center);
        //计算世界坐标是否在包围球内。
        if(dot(d,d) <= radiusSqr){
            //如果是，就利用这一级别的Cascade来进行采样
            float4x4 worldToCascadeMatrix = _XWorldToMainLightCascadeShadowMapSpaceMatrices[i];
            float4 shadowMapPos = mul(worldToCascadeMatrix,float4(positionWS,1));
            shadowMapPos /= shadowMapPos.w;
            return shadowMapPos;
        }
    }
    //表示超出ShadowMap. 不显示阴影。
    #if UNITY_REVERSED_Z
    return float3(0,0,1);
    #else
    return float3(0,0,0);
    #endif
}

```

# 4. 效果图

最后上一下对比图，在Camera远裁剪面为1000的情况下，分别:

- 无Shadow Distance限制
- Shadow Distance限制到200
- Shadow Distance限制到200并增加4级Cascaded Shadow Mapping


<img src=".imgs/shadow/camera1000_no_limit.jpeg">
上图无ShadowDistance限制时，可以看出，近处和中间方块的阴影的形状都不太对


<img src=".imgs/shadow/camera1000_shadowlimit200.jpeg">

上图ShadowDistance限制200，中间方块投影的形状边缘出来了，但近处方块边缘还是比较糙。


<img src=".imgs/shadow/camera1000_casadedshadow.jpeg">
上图使用了4级Cascaded Shadow Mapping，近处和中间的投影质量都明显好转


# 5. 参考


http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial49/tutorial49.html