Unity 模型渐隐功能

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attitude 2024-11-16 07:32:55

文章标签 Unity 模型渐隐功能学习 unity 贴图 UPR 文章分类 游戏开发

对阴影的理解

unity的阴影，实际做了两件事

一是计算出实时光的阴影，基于shadowmap。
二是将实时阴影和bake数据，根据不同策略做混合

URP12对阴影的支持情况

一个主光源（必须是平行光）的实时阴影。
移动平台最多32个附加光源（不支持平行光）。
附加光源都会写入一张rt，按图集的方式写入不同块。
点光源会写入图集的最多6个分区中（根据照到的区域计算），相比用cube会有性能提升，因为点光源不一定会照到6个面。
点光源和聚光灯的实时阴影。
屏幕空间阴影。
半透表面接收阴影，但不能投射阴影。

主光源shadowmap

通过MainLightShadowCasterPass驱动

先看构造函数和主要的属性

RenderPassEvent是BeforeRenderingShadows，也就是clear之后就渲染shadowmap。

m_MainLightShadowMatrices = new Matrix4x4[k_MaxCascades + 1]; 
m_CascadeSlices = new ShadowSliceData[k_MaxCascades]; 
m_CascadeSplitDistances = new Vector4[k_MaxCascades];

级联贴图相关的属性，用法在后面的代码细看，简单来说，级联阴影的作用类似mipmap，在不同距离采样不同精度的贴图，以提升性能。

private static class MainLightShadowConstantBuffer

这个类，声明了shader用到的各个变量，记录id。

Setup函数

有两个作用，一个是判断是否开启了阴影，一个是设置阴影的一些参数，分辨率，级联层级数量等。函数的结果是将设定好的阴影图按级联数量，分成几个小块，每个小块渲染一个精度的阴影。

renderingData.cullResults.GetShadowCasterBounds(shadowLightIndex, out bounds)

调用了一个底层接口，获取光源的包围盒，在光源范围内有shadowcast的物体时返回true。

int shadowResolution = ShadowUtils.GetMaxTileResolutionInAtlas(renderingData.shadowData.mainLightShadowmapWidth,     renderingData.shadowData.mainLightShadowmapHeight, m_ShadowCasterCascadesCount);

这个函数的作用，是根据级联数量，获取每块贴图的分辨率。

ShadowUtils.ExtractDirectionalLightMatrix

这个函数用来设置级联贴图相关的属性，矩阵、距离、分辨率等。
调用底层ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives

Configure函数

主要作用是获取shadowmap的rt，配置到pass的color缓冲区，标记为只渲染深度值。

m_MainLightShadowmapTexture = ShadowUtils.GetTemporaryShadowTexture(m_ShadowmapWidth,m_ShadowmapHeight, k_ShadowmapBufferBits); 
ConfigureTarget(new RenderTargetIdentifier(m_MainLightShadowmapTexture), m_MainLightShadowmapTexture.depthStencilFormat, renderTargetWidth, renderTargetHeight, 1, true);
重点是最后一个参数，标记depthOnly为true。

Execute函数，实际执行的是RenderMainLightCascadeShadowmap

首先渲染shader需要一个ShadowDrawingSettings，设置好setting的cullingSphere。

Vector4 shadowBias = ShadowUtils.GetShadowBias(ref shadowLight, shadowLightIndex, ref shadowData, m_CascadeSlices[cascadeIndex].projectionMatrix, m_CascadeSlices[cascadeIndex].resolution);

计算shadow的偏移值，不是直接用配置的值，这样可以根据分辨率做更细致的调整。具体计算在GetShadowBias函数，对点光源软阴影还要乘上2.5，这大概是个经验值。

ShadowUtils.SetupShadowCasterConstantBuffer(cmd, ref shadowLight, shadowBias);

设置shader的_ShadowBias和_LightDirection变量。

ShadowUtils.RenderShadowSlice(cmd, ref context, ref m_CascadeSlices[cascadeIndex],     ref settings, m_CascadeSlices[cascadeIndex].projectionMatrix, m_CascadeSlices[cascadeIndex].viewMatrix);

这个函数是渲染shadowmap的核心，每次调用，都将一个分辨率下的shadow渲染到shadowmap对应的一部分。

一个重要的函数是SetViewProjectionMatrices，不过这个函数没查到太详细的资料，我的理解是相当于在光源创建一个相机的作用，因为shadowmap需要在光源位置渲染，而在URP中并没有实际创建相机，当初看这的时候还迷惑了好久。
还有一个函数是EnableScissorRect，实际把shadowmap渲染的小了一点，避免边缘像素冲突。

SetupMainLightShadowReceiverConstants(cmd, shadowLight, softShadows);

最后一步，就是设置各个shader变量了。

附加光shadowmap

大体流程和主光源差不多，下面就对一些有区别的地方做下说明。

附加光没有级联阴影，因为不支持平行光，而点光源和聚光灯都是有范围的，不需要支持级联，也可以节省内存。
附加光会以图集的方式渲染到一个rt上，并且不管有多少光源，都只有一个rt。所以实际上为了效果，对同时可见的点光源数量还是要限制的，因为点光源最多会占6块，聚光灯固定一块，光源越多，每个光源的分辨率也会越低，毕竟rt大小也是有限制的。
unity有个优化，为了避免图集空间不足时显示错误，会删除分辨率过小的shadow slices。

ShadowCaster pass写入shadowmap

通过ScriptableRenderContext的DrawShadows方法渲染ShadowCaster这个pass，写入shadowmap。
https://docs.unity3d.com/ScriptReference/Rendering.ScriptableRenderContext.DrawShadows.html接口说明在这。
实现在ShadowCasterPass.hlsl
顶点shader，主要是做坐标变换，和一般坐标变换不同点，一个是要加上偏移值，偏移值通过_ShadowBias获取，在c#设置。另一个问题是要考虑UNITY_REVERSED_Z。
像素shader也比较简单，固定返回0。调用Alpha函数，只是为了做裁剪，配合物体的挖洞效果，如果没定义_ALPHATEST_ON，这个函数调用是没用的，返回的alpha并不会用到。

实时阴影和bake数据混合

计算上是分主光和附加光分别处理的，但算法相同。

bake有3种策略，在计算bakedShadow值和混合时处理。

核心代码是下面的两个分支。

LIGHTMAP_SHADOW_MIXING在烘焙模式为Subtractive或Shadowmask时为true，表示对直接光和间接光都烘焙了阴影，取实时和烘焙的最小值。通过CalculateShadowMask函数处理，在Subtractive模式下，bakedShadow也是没有值的，如果不开启lightmap，则使用探针数据，unity提供unity_ProbesOcclusion获取。
否则只烘焙了间接光，bakedShadow是没有值的，阴影已经加在lightmap的颜色值上了。表现效果为根据fade距离，调整实时阴影强度。

#if defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING)
    return min(lerp(realtimeShadow, 1, shadowFade), bakedShadow);
#else
    return lerp(realtimeShadow, bakedShadow, shadowFade);
#endif

还有一点是软阴影的计算，区分平台。

在移动平台，采样4次，通过C#获取4个偏移值，返回平均值。

其他平台，通过SampleShadow_ComputeSamples_Tent_5x5获取偏移和权重，然后采样原点和周围8个像素，加权取平均值。

可以发现采样次数很多，由于overdraw的影响，也会造成比较大的性能浪费。unity增加了一个屏幕空间阴影的feature，可以提升一些性能。

屏幕空间阴影

只对主光源生效，分两个pass。第二个pass只是将一些shader关键字还原。重点是第一个。

核心算法是取到深度图上的每一点，转换为对应的世界坐标，然后正常计算shadow（包括软阴影），也就是对屏幕上的每一点做了一次阴影计算，所以最后的阴影效果，和不开启时是一样的。区别在于这样每个像素点只会计算一次阴影，避免了overdraw带来的多次采样shadowmap的消耗。可以理解为是一种预计算，之后计算颜色时采样这张全屏texture就可以了。

但是对半透表面，是不能采样这个贴图的，因为SS用的是当前深度图的深度对应的世界坐标，而半透表面不在这个点，所以遮挡当前深度的物体不一定会遮挡半透表面，对于半透表面，还是要正常采样shadowmap，因为shadowmap是对光源可见，能用来判断半透的遮挡情况。

总的来说，屏幕空间阴影是为了优化overdraw带来的多次采样shadowmap的问题，和其他屏幕空间的技术有点差别，但是核心思路还是一样的，都是为了减少计算量。作为一个feature是因为有些情况不透明没有overdraw，比如URP开启depth priming，以及支持TBDR的显卡。未来可能有更多的硬件可以处理overdraw。