Unity中的shadowscast shadows
Posted 异次元的归来
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Unity中的shadowscast shadows相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文是Unity中的shadows系列的第二篇文章。上一篇文章主要介绍了不同光源下的阴影和阴影的一些设置参数。本篇着重研究阴影投射相关的内容。
投射阴影（平行光，聚光灯）
由于点光源的shadowmap是cube map，所以需要和平行光源，聚光灯分开处理。先看平行光源和聚光灯。在shadow caster阶段，unity提供了UnityClipSpaceShadowCasterPos和UnityApplyLinearShadowBias两个API。那么，现在ShadowCaster的代码变成了这样：
float4 MyShadowVertexProgram (VertexData v) : SV_POSITION {
float4 position =
UnityClipSpaceShadowCasterPos(v.position.xyz, v.normal);
return UnityApplyLinearShadowBias(position);
}
half4 MyShadowFragmentProgram () : SV_TARGET {
return 0;
}
UnityApplyLinearShadowBias
让我们看下这两个API的实现，首先是UnityApplyLinearShadowBias：
float4 UnityApplyLinearShadowBias(float4 clipPos)
{
// For point lights that support depth cube map, the bias is applied in the fragment shader sampling the shadow map.
// This is because the legacy behaviour for point light shadow map cannot be implemented by offseting the vertex position
// in the vertex shader generating the shadow map.
#if !(defined(SHADOWS_CUBE) && defined(SHADOWS_CUBE_IN_DEPTH_TEX))
#if defined(UNITY_REVERSED_Z)
// We use max/min instead of clamp to ensure proper handling of the rare case
// where both numerator and denominator are zero and the fraction becomes NaN.
clipPos.z += max(-1, min(unity_LightShadowBias.x / clipPos.w, 0));
#else
clipPos.z += saturate(unity_LightShadowBias.x/clipPos.w);
#endif
#endif
#if defined(UNITY_REVERSED_Z)
float clamped = min(clipPos.z, clipPos.w*UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#else
float clamped = max(clipPos.z, clipPos.w*UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#endif
clipPos.z = lerp(clipPos.z, clamped, unity_LightShadowBias.y);
return clipPos;
}
前面的宏是用来判断如果是点光源且当前的硬件平台支持depth cube map，就跳过bias的相关计算。bias的计算和是否UNITY_REVERSED_Z有关。如果定义了UNITY_REVERSED_Z，那么在clip space中近剪裁面的z值为1，远剪裁面的z值为0。使用reversed-z技术的原因是为了弥补深度缓存的精度问题。由于z不是均匀分布的，离近剪裁面越近的地方，z的精度越高，而越远的地方，z的精度越低。而如果用浮点数来保存z的值，浮点数又在值靠近0时有较高的精度，靠近1时精度较差。因此，为了让其互补，就将z的取值进行reverse，这样靠近1的z值虽然浮点精度有限，但是离近剪裁面会更近；同样地，靠近0的z值虽然离近剪裁面较远，但是浮点精度更高。
扯远了，继续看函数实现，我们可以看到一个神秘的unity_LightShadowBias，它是一个四维向量，保存与阴影相关的参数。这个值与光源类型有关，先看平行光源的情况。
当平行光源的bias值设置为0.05时，打开frame debugger定位到shadow caster阶段：
此时unity_LightShadowBias.x是一个比较小的负数，而不是简单的0.05。通过反复实验和猜测得出：
unity_LightShadowBias.x = -UNITY_MATRIX_P._33 * _Bias
代入截图中的值计算，-0.026 * 0.05 = -0.0013刚刚好。
再看聚光灯的情况，同样当聚光灯的bias值设置为0.05时，打开frame debugger定位到shadow caster阶段：
此时unity_LightShadowBias.x就是_Bias的值单纯取反得到。
最后看一下点光源：
这个就十分nice了，直接就是_Bias的值。继续看代码，有个unity_LightShadowBias.x / clipPos.w的处理，这就有点奇怪了，一般除w的操作，都是在fragement shader中出现的，这里还是vertex shader阶段，除w作用是什么呢？由于光源空间的投影可能有两种，正交投影和透视投影，因此让我们分别来看下。
首先是正交投影，平行光源就是正交投影。我们可以打开frame debugger确认一下：
把矩阵写成数学形式为：
显然这是一个正交投影矩阵。对于相机空间中的任一点\\(P(x,y,z,1)\\)，变换到齐次剪裁空间后的\\(P\'\\)坐标为：
可以发现，对于正交投影，clipPos.w的值为1。所以除w这件事情对正交投影压根没有影响。那么，在先不考虑各种边界的情况下，就有：
clipPos.z += -UNITY_MATRIX_P._33 * _Bias;
这里Unity需要乘上一个系数的原因就真相大白了。带有负号是因为RESERVE Z，这里不必考虑，_Bias这个值是暴露给使用者的参数，它的自身意义就是让物体在光源空间中往后偏移一个量，而无需考虑光源空间本身，换句话说就是物体在光源空间中延z方向往后偏移\\(\\Delta z\\)，那么它在齐次剪裁空间中z的偏移量\\(\\Delta z\'\\)是多少？这个很好计算：
也就是说，在齐次空间中，要让z的值偏移\\(c\\Delta z\\)才行。这个c恰恰就是上面提到的UNITY_MATRIX_P._33！Unity选择直接参数传递而不是在shader中计算的原因，猜测是传递不必要的矩阵到GPU上是一种浪费，而且对GPU而言这本身就是个常量，没必要在每个顶点上都去算一遍。
再来看透视投影，聚光灯就是透视投影。我们可以打开frame debugger确认一下：
把矩阵写成数学形式为：
显然这是一个透视投影矩阵。对于相机空间中的任一点\\(P(x,y,z,1)\\)，变换到齐次剪裁空间后的\\(P\'\\)坐标为：
同样，在先不考虑各种边界的情况下，就有：
clipPos.z += -_Bias / -viewPos.z;
这里对viewPos.z取负，是因为相机空间是右手坐标系，相机看向的是z轴负方向，所以viewPos.z < 0，而在剪裁空间又是左手坐标系，需要对z轴取反。
类似正交投影，我们假设物体在光源空间中延z方向往后偏移\\(\\Delta z\\)，那么它在齐次剪裁空间中z的偏移量\\(\\Delta z\'\\)是多少？
好像没那么直观，让我们继续往下推导：
这回x和y都变了。但其实也是正常的，毕竟对于透视投影来说，将一个物体往z方向平移，投影的位置还和位移前相同，那么它的x，y方向也需要平移。不过，这里我们不需要考虑x和y的部分。继续放大z的计算部分往下看：
对于同一个光源空间来说，d其实是一个常数，为了计算方便可以直接拿掉，而\\(\\Delta z\\)和z本身相比，可以忽略不计，所以有：
这就和代码中的描述一致了。其实从直观上也好理解，这步操作是为了让物体在光源空间的不同位置往后偏移时，都能偏移相同的一个量，因为透视投影具有近大远小的性质，除z就是做了一个透视补偿。
再往下看代码，这里定义了一个clamped的分量，它在unity_LightShadowBias.y为1的时候生效。通过查阅资料可以知道，这个值只有在平行光源的情况为1，其他情况都为0。clamped所做的事情就是让clipPos.z不要超过近剪裁面，代表的是光源背面（近似）的点的z值。而平行光源是不存在光源背面这一概念的，理论上只要位于平行光源的光源空间内，就一定要跑一遍shadow caster。所以这么做的原因是为了防止裁掉平行光“背面”的点。
UnityClipSpaceShadowCasterPos
接下来看UnityClipSpaceShadowCasterPos：
float4 UnityClipSpaceShadowCasterPos(float4 vertex, float3 normal)
{
float4 wPos = mul(unity_ObjectToWorld, vertex);
if (unity_LightShadowBias.z != 0.0)
{
float3 wNormal = UnityObjectToWorldNormal(normal);
float3 wLight = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(wPos.xyz));
// apply normal offset bias (inset position along the normal)
// bias needs to be scaled by sine between normal and light direction
// (http://the-witness.net/news/2013/09/shadow-mapping-summary-part-1/)
//
// unity_LightShadowBias.z contains user-specified normal offset amount
// scaled by world space texel size.
float shadowCos = dot(wNormal, wLight);
float shadowSine = sqrt(1-shadowCos*shadowCos);
float normalBias = unity_LightShadowBias.z * shadowSine;
wPos.xyz -= wNormal * normalBias;
}
return mul(UNITY_MATRIX_VP, wPos);
}
// Legacy, not used anymore; kept around to not break existing user shaders
float4 UnityClipSpaceShadowCasterPos(float3 vertex, float3 normal)
{
return UnityClipSpaceShadowCasterPos(float4(vertex, 1), normal);
}
unity_LightShadowBias.z存储了与normal dias相关的参数。这个值还与shadow map的贴图尺寸有关。而且通过实践可以发现，这个值只在平行光源的情况下有效，其他光源都是0。让我们回到之前的图：
我们要求的normal bias就是CG的长度，它等于DI：
AB其实是光源视锥体大小与shadowmap尺寸的比值，可以理解成是shadowmap的一个texel所能覆盖的视锥体区域。这里也可以看出，shadowmap的精度越高，覆盖的光源视锥体区域越小，引起shadow acne的可能性也越小。
从图中容易看出\\(\\theta\\)其实就是光源与法线的夹角，所以：
目前尚不清楚Unity是如何计算frustumSize的，但在某些情况下，这个frustumSize就是：
frustumSize = 2 / UNITY_MATRIX_P._11
也就得到：
正弦前面这货就是unity_LightShadowBias.z（可能不准确）。
投射阴影（点光源）
现在让我们回到点光源来。对于点光源来说，ShadowCaster的代码是这样的：
struct Interpolators {
float4 position : SV_POSITION;
float3 lightVec : TEXCOORD0;
};
Interpolators MyShadowVertexProgram (VertexData v) {
Interpolators i;
i.position = UnityObjectToClipPos(v.position);
i.lightVec =
mul(unity_ObjectToWorld, v.position).xyz - _LightPositionRange.xyz;
return i;
}
float4 MyShadowFragmentProgram (Interpolators i) : SV_TARGET {
float depth = length(i.lightVec) + unity_LightShadowBias.x;
depth *= _LightPositionRange.w;
return UnityEncodeCubeShadowDepth(depth);
}
代码看上去很直观，除了最后的UnityEncodeCubeShadowDepth，看一下它是做什么的：
// Encoding/decoding [0..1) floats into 8 bit/channel RGBA. Note that 1.0 will not be encoded properly.
inline float4 EncodeFloatRGBA( float v )
{
float4 kEncodeMul = float4(1.0, 255.0, 65025.0, 16581375.0);
float kEncodeBit = 1.0/255.0;
float4 enc = kEncodeMul * v;
enc = frac (enc);
enc -= enc.yzww * kEncodeBit;
return enc;
}
float4 UnityEncodeCubeShadowDepth (float z)
{
#ifdef UNITY_USE_RGBA_FOR_POINT_SHADOWS
return EncodeFloatRGBA (min(z, 0.999));
#else
return z;
#endif
}
因为有些硬件不支持渲染到浮点纹理，只能将一个浮点数拆成4个部分，分别存储到RGBA上。而不支持浮点纹理的硬件往往也不支持整数指令和位运算操作，就只能采用传统的加减乘除四则运算了。代码中kEncodeMul的值实际上是：
我们希望把v表示成：
让我们对enc.x分量的计算过程进行分析，其他的分量也是类似的：
对于点光源，我们显式地在fragment shader中返回了像素点的深度信息，这是因为点光源的cube map不一定支持depth，也就是硬件不一定会把深度信息自动写入cube map。Unity使用SHADOWS_CUBE_IN_DEPTH_TEX宏进行区分。
Reference
[1] Shadows
[3] 自适应Shadow Bias算法
[5] UWA问答
[6] 把float编码到RGBA8
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以上是关于Unity中的shadowscast shadows的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
随随随随笔Unity中的光渗（Light Bleeding）现象和阴影瑕疵（Shadow Acne）