Unity實時陰影實現圖解

Unity大中華區技術支持團隊近年來爲國內Unity用戶提供了高質量的技術支持服務，本文將由該團隊的技術支持工程師張陳淵，根據本身的豐富經驗，爲你們分享在Unity中實現實時陰影的方法。

       光照在遊戲做品中的重要地位早已不容忽視，陰影與光的實現技術一直在高效與真實之間左右權衡着。下面主要經過一個具體的問題探討Unity實時陰影的內部實現。

 

兩種陰影實現方式

      Unity有兩種陰影實現方式：烘培陰影與實時陰影。

 

 

       烘培是一種離線計算，它採用光線追蹤算法來模擬現實世界中光的物理特性，如反射，折射及衰減，光沒法到達的地方皆爲陰影；實時陰影是一種更加精簡的模擬，它忽略掉了光的衆多物理特性，利用數學方法人爲地去製造陰影。您能夠經過下圖更形象地瞭解到兩種陰影之間的計算區別。

 

  

烘焙過程當中，光線沒法到達的地方成爲陰影

 

 

實時陰影更像人爲地繪製，將燈光角度沒法看到的區域，繪製上陰影的顏色

 

        烘培陰影是光線追蹤算法的天然產物，準確無誤，真實過渡。但因爲其計算量巨大，阻礙了它在遊戲中的實時運用。不能實時運用並不表明光線追蹤不能應用到遊戲中，實際上游戲中存在大量靜止的物體，如場景中的地形，房屋等，在燈光不變的狀況下，這些物體產生的陰影也是固定不變的。

       因爲這種需求廣泛存在，Unity的烘焙系統隨之誕生：經過離線計算，生成記錄光照信息的Lightmap，渲染靜態物體時採樣Lightmap，進而產生較真實的陰影效果。對於動態物體而言，Unity使用Shadow Mapping技術，高效地產生實時陰影。因爲篇幅限制，本文咱們主要經過一個具體的問題探討一下Unity實時陰影的內部實現。

 

實時陰影的內部實現

       有企業級客戶提到這樣一個問題：半透明物體的陰影效果是如何實現的？

 

 

 

       回答這個問題以前，有必要先了解Unity實現不透明物體陰影的基本原理。爲了簡化問題，假設場景中只有兩個物體，石頭A和地面B。

 

 

 

        爲了最快速地分析圖像問題，咱們列舉一下渲染流程：首先，從攝像機角度生成A與B的深度值到Depth Buffer深度緩衝中。

 

 

 

      接下來，從燈光視角生成A與B的深度到Shadowmap深度圖，這裏有四張深度圖，能夠認爲是不一樣的精度。

 

  

3，4：近視角高精度；1，2：遠視角低精度

 

        而後進入整個流程的核心部分，利用上面兩個步驟的數據生成Screen Space Shadow Mask紋理，基本方法爲：經過深度緩衝可將屏幕空間的點還原到世界空間，而後將此世界空間座標轉換到燈光視角空間，投影以後的Z值再與對應深度圖的值進行比較，若是大於深度圖，說明此屏幕空間上的點是陰影。

 

 

 

        最後一步，渲染A和B到Color Buffer顏色緩衝中，將世界空間的點轉換到屏幕空間，採樣Screen Space Shadow Mask紋理得出陰影，最後可根據自定義需求，與材質顏色進行相應的混合得出最終的陰影顯示效果。

 

 

 

      那麼，如今開始進入正題了，之因此會有人問半透明物體的陰影如何產生，其根源在於：雖然半透明物體能夠不寫深度緩衝，但必須寫深度圖，那麼半透明物體的深度值如何寫入深度圖呢？

      衆所周知，寫深度這一操做，只有兩種方式，寫與不寫：對於不透明的物體來講，深度一直寫；對於半透明的物體來講，假設透明度是alpha，alpha=0不寫，alpha=1寫，那麼alpha=0.5究竟寫仍是不寫呢?

      帶着這個問題，讓咱們來看看Unity的標準Shader是如何處理的。

 

 

 

        上邊代碼的紅框決定深度是否寫入一張3D紋理，如變量_DitherMaskLOD。設置變量vpos和alpha對3D紋理進行採樣，vpos爲正交或透視投影產生的結果，alpha爲半透明物體對應的alpha值。因爲vpos是變化的，即便alpha都爲0.5，採樣的結果也會不一樣，由此來決定此像素是否剔除。

       製做這張3D抖動紋理時必定要保證alpha爲0或1時採樣的結果是固定，alpha大於0.5時，採樣到1的機率偏大，alpha小於0.5時，採樣到0的機率偏大。經過查看內存，此3D紋理可視化後是這樣的：

 

 

 

      講到這裏，這個問題的答案已呼之欲出：實時半透明物體陰影與不透明物體陰影在實現上並無太多區別，只是在生成燈光視角的深度圖上，半透明物體在Pixel Shader階段會採樣一張3D抖動紋理，來隨機決定此像素是否輸出，進而產生近似的半透明陰影效果。

      這個算法有一個缺點，因爲使用視角數據來採樣抖動紋理，因此當視角變化時，陰影必然會有明顯的抖動。

 

 

 

   解決抖動的優化辦法，留給你們去思考。

 

結束語

      關於Unity中實現實時陰影的問題，因爲篇幅有限，本文其實只講到了冰山一角，還有不少其餘的陰影有關的話題，如烘培陰影會使用Shader嗎？它會利用到GPU嗎？咱們會常常分享更多的Unity相關技術剖析在Unity官方中文社區（forum.china.unity3d.com），請保持關注！

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實時陰影

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