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MainLightShadow

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zilch edited this page Mar 21, 2021 · 4 revisions

SRP - 平行光实时阴影

1. 前言

这一章节主要内容是在SRP中实现平行光源(Directional Light)的实时阴影渲染。

2. 理论准备

这里使用Shadow Mapping技术来实现。 相关理论文章可以参考:

传送门 - Shadow Mapping

要实现平行光阴影，一般分如下两个步骤:

  • Shadow Caster (阴影投射)
  • Shadow Receiver (阴影接收)

2.1 Shadow Caster

阴影投射从平行光的角度，以正交摄像机绘制场景，得到一张深度图，作为ShadowMapTexture

如上图所示，蓝色线条为灯光照亮区域，而黑色部分由于被遮挡形成阴影区域。其中蓝色部分会渲染到ShadowMapTexture中。

2.2 Shadow Receiver:

从摄像机角度绘制场景时，在Fragment里，我们重建每个像素的世界坐标，然后重投影到灯光的ShadowMap空间，与ShadowMapTexture中记录的深度值做比较。从而得出像素是否在阴影区域。

如上图,在ShadowCaster阶段，C点深度0.4会被记录到ShadowMapTexture中。 然后当摄像机渲染P点时，算得P点重投影到ShadowMap后的深度为0.9, 意味着被C点遮挡，因此判定在阴影区域。

3. SRP实现

下面使用SRP来分别实现Shadow Caster和Shadow Receiver。

3.1 Shadow Caster

要实现Shadow Caster, 可以细分为如下几个步骤:

  • 对场景中的灯光进行裁剪，仅保留对当前摄像机可见区域有影响的灯光.
  • 计算灯光的View矩阵和Project矩阵
  • 根据计算好的View、Project矩阵，从灯光角度渲染场景，得到ShadowMapTexture

这里我们专门为Shadow Caster定义一个Pass类:

public class ShadowCasterPass{

    public void Execute(ScriptableRenderContext context,Camera camera,ref CullingResults cullingResults,ref LightData lightData){

    }
}

3.1.1 灯光裁剪

在SRP中，复杂的裁剪工作，引擎已经做好了内部实现，我们只需要通过调用ScriptableRenderContext.Cull这个API来进行进行。

在这个系列的前两章中，我们已经完成了裁剪工作，并得到了CullingResult对象和LightData对象。我们将这两个对象从RenderPipeline中，通过ShadowCasterPass.Execute传递过来。其中LightData对象定义如下:

public struct LightData{
    public int mainLightIndex;
    public VisibleLight mainLight;
}

在Shadow Caster Pass里我们需要进一步判定，该灯光是否会对可视区域投下阴影。 在SRP中有如下API:

public bool CullingResults.GetShadowCasterBounds(int lightIndex, out Bounds outBounds);

该接口会根据摄像机视锥裁剪结果，针对指定灯光计算其Shadow Caster影响范围,并返回一个BoundingBox。 假如在范围中没有一个阴影投射对象，那么返回false。

因此我们使用此接口来做前置判断:

//false表示该灯光对场景无影响，直接返回
if(!cullingResults.GetShadowCasterBounds(lightData.mainLightIndex,out var lightBounds)){
    return;
}

3.1.2 View&Project矩阵计算

SRP中提供了如下接口来做这件事:

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

可以看到，这个接口的参数非常之多。在这里，我们暂且不去管split相关的参数。因此只需要关注如下三个输入参数:

  • activeLightIndex 即我们前面拿到的平行光源索引
  • shadowResolution 为ShadowMap贴图的分辨率
  • shadowNearPlaneOffset 灯光角度对场景进行深度渲染时的近平面

shadowResolution 可以从Light组件中获取，我们定义如下:

private static int GetShadowMapResolution(Light light){
    switch(light.shadowResolution){
        case LightShadowResolution.VeryHigh:
        return 2048;
        case LightShadowResolution.High:
        return 1024;
        case LightShadowResolution.Medium:
        return 512;
        case LightShadowResolution.Low:
        return 256;
    }
    return 256;
}

shadowNearPlaneOffset同样可以从Light组件获取: API Doc - Light.shadowNearPlane

最终调用:

cullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives(lightData.mainLightIndex,0,1,
new Vector3(1,0,0),shadowMapResolution,lightComp.shadowNearPlane,out var matrixView,out var matrixProj,out var shadowSplitData);

我们可以得到三个输出对象:

  • matrixView
  • matrixProj
  • shadowSpliteData

3.1.3 ShadowMapTexture渲染

SRP提供如下API供我们渲染ShadowMapTexture:

public void ScriptableRenderContext.DrawShadows(ref Rendering.ShadowDrawingSettings settings);

这个API会按照如下条件对Renderers进行过滤:

  • 在灯光裁剪区域内
  • 开启了Shadow Caster
  • 材质包含"LightMode" = "ShadowCaster"Pass

在调用这个API进行渲染前，还需要做如下系列准备工作:

  • 申请临时的RenderTexture作为ShadowMapTexture
  • 配置管线参数，包括View&Proj矩阵和RenderTarget

在代码上大致为:

//生成ShadowMapTexture
_shadowMapHandler.AcquireRenderTextureIfNot(shadowMapResolution);

//设置投影相关参数
SetupShadowCasterView(context,shadowMapResolution,ref matrixView,ref matrixProj);

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

为了让物体能正确投射阴影，我们还需要为物体的Shader实现 ShadowCaster Pass

这里我们将改造之前的BlinnPongSpecular.shader,加入ShadowCaster Pass:

Pass
{
    Name "ShadowCaster"
    Tags{"LightMode" = "ShadowCaster"}

    ZWrite On
    ZTest LEqual
    ColorMask 0
    Cull Back

    HLSLPROGRAM

    #pragma vertex ShadowCasterVertex
    #pragma fragment ShadowCasterFragment

    ENDHLSL
}

其中ShadowCasterVertex和ShadowCasterFragment定义在Shadow.hlsl中:

struct ShadowCasterAttributes
{
    float4 positionOS   : POSITION;
};

struct ShadowCasterVaryings
{
    float4 positionCS   : SV_POSITION;
};

ShadowCasterVaryings ShadowCasterVertex(ShadowCasterAttributes input)
{
    ShadowCasterVaryings output;
    float4 positionCS = UnityObjectToClipPos(input.positionOS);
    output.positionCS = positionCS;
    return output;
}

half4 ShadowCasterFragment(ShadowCasterVaryings input) : SV_Target
{
    return 0;
}

我们使用这个ShadowCasterPass去渲染一遍场景后，可以在FrameDebugger里查看灯光角度生成的深度图:

3.2 Shadow Receiver

Shadow Receiver 是在渲染物体的时候，利用ShadowMap贴图来计算每一个像素是否在阴影空间中。

3.2.1 WorldToShadowMap矩阵计算

按照2.2中所述，我们需要为Shader准备一个变化矩阵以将世界坐标投影到ShadowMap空间. 这个矩阵计算过程如下:

/// <summary>
/// 通过ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives得到的投影矩阵，其对应的x,y,z范围分别为均为(-1,1).
/// 因此我们需要构造坐标变换矩阵，可以将世界坐标转换到ShadowMap齐次坐标空间。对应的xy范围为(0,1),z范围为(1,0)
/// </summary>
static Matrix4x4 GetWorldToShadowMapSpaceMatrix(Matrix4x4 proj, Matrix4x4 view)
{
    //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;
    }

    // uv_depth = 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)
    Matrix4x4 worldToShadow = proj * view;
    var textureScaleAndBias = Matrix4x4.identity;
    textureScaleAndBias.m00 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m11 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m22 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m03 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m23 = 0.5f;
    textureScaleAndBias.m13 = 0.5f;

    return textureScaleAndBias * worldToShadow;
}

ShadowMap空间的坐标分布为xy范围从0~1,z范围从0~1。但是在反向深度的情况下，z返回从1~0。传送门 - 什么是反向深度

然后我们然后将此矩阵传递给Shader

3.2.2 Shader实现

同样改BlinnPongSpecular.shader，使其加入阴影接收的支持。

首先使用一个函数，来计算阴影强度:

///检查世界坐标是否位于主灯光的阴影之中(0表示不在阴影中，大于0表示在阴影中,数值代表了阴影强度)
float GetMainLightShadowAtten(float3 positionWS){
      //利用3.2.1中的矩阵，将世界坐标投影到ShadowMap空间
      float3 shadowMapPos = WorldToShadowMapPos(positionWS);
      float depthToLight = shadowMapPos.z;
      float2 sampeUV = shadowMapPos.xy;
      float depth = UNITY_SAMPLE_TEX2D(_XMainShadowMap,sampeUV);

      #if UNITY_REVERSED_Z
          // depthToLight < depth 表示在阴影之中
          return clamp(step(depthToLight,depth), 0,_ShadowParams.z);
      #else
          // depthToLight > depth表示在阴影之中
          return clamp(step(depth,depthToLight), 0,_ShadowParams.z);
      #endif
}

其中_ShadowParams.z为阴影强度，直接取自Light组件.

在Frag中，将输出颜色与阴影强度做相乘:

return (1 - GetMainLightShadowAtten(positionWS,normalWS)) * color;

效果图:

可以看到，虽然方块和球体在平面上成功投下了阴影，但是非阴影区域却也出现了许多阴影条纹。这是由于自阴影引起的阴影瑕疵(shadow acne)。

自阴影是由于Shadow Receiver阶段，像素和自身在ShadowCaster产生的ShadowMap深度进行对比，由于是同一像素，理论深度应该是一样的。但因为ShadowMap贴图本身分辨率有限，Camera视角的多个像素投影到ShadowMap上可能是同一个位置，如下图所示：

每一条斜黄线断代表ShadowMap贴图中的一个像素，对应到水平地面上可能覆盖多个像素。多个像素里有些深度较大，有些深度较小，因而产生了条状瑕疵。

解决这个问题，通常引入Bias。 而Bias又分为Depth Bias和 Normal Bias.

a. Normal Bias

Normal Bias是在将像素世界坐标投影到ShadowMap之前，先将其按照法线方向做一定的偏移:

代码如下:

float3 shadowMapPos = WorldToShadowMapPos(positionWS + normalWS * _ShadowParams.y);

_ShadowParams.y为normal bias数值，目前直接从Light组件中读取

b. Depth Bias.

深度偏移则是直接在深度比较时，对深度值加入一定的Bias数值。 代码实现如下:

//使用使用_ShadowParams.x做深度bias
#if UNITY_REVERSED_Z
    // depthToLight < depth 表示在阴影之中
    return clamp(step(depthToLight + _ShadowParams.x,depth), 0,_ShadowParams.z);
#else
    // depthToLight > depth表示在阴影之中
    return clamp(step(depth,depthToLight - _ShadowParams.x), 0,_ShadowParams.z);
#endif

其中_ShadowParams.x为depth bias的数值，也是直接取自Light组件。

修正后的效果:

4.问题

到目前位置，我们已经大致在SRP中实现了平行光阴影的计算渲染。 但还存在如下问题:

  • 在编辑器的SceneView中无法看到阴影.
  • 如果把摄像机的far clip plane调大，阴影质量也会变得越来愈差.
  • Bias的数值计算需要优化

其中1、2两点，都是由于ShadowMap的贴图精度无法满足要求而引起的。 因为摄像机视野越远，ShadowMap贴图需要覆盖的场景范围就越广，导致单位面积精度下降。 而SceneView中的摄像机，其far clip plane通常是好几万级别的，所以直接阴影就消失不见了。

为了解决这个问题，通常要使用Cascaded Shadow Mapping技术. 这会在后续实现。

而Bias的问题，目前是直接取了Light组件的设置，更好的方式是要结合ShadowMap分辨率来计算恰当的偏移。这暂且不在此文讨论范围了。

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