【Unity Shader】Unity中阴影走样的解决方案

女爷i 2023-09-23 12:51 115阅读 0赞

走样问题出现在两个地方：

*  初始采样：获得shadowmap的过程
 *  重采样：从摄像机视角对Shadowmap进行重采样

这两个阶段都会产生走样问题。

## 1 初始采样-透视走样 ##

### 1.1 形成原因 ###

这里的情况其实跟纹理类似，是**由于近景大量pixel与shadowmap中的同一个texel对应**导致的走样。详细一点的解释如下图：

![b0212a95d2a74b7b8917f845a1fc70fb.png][]

从光源位置采样获得shadowmap时，此时摄像机并没有进行透视投影，shadowmap在世界空间是均匀分配的。如上左图所示：橙色箭头位置对应的三个texel都对应着世界空间下相同大小的pixel，此时的pixel数量分配还保持着近平面小所以少，远平面大所以多。

由于世界空间变换到屏幕空间需要**经过透视投影**，透视投影后原本大小不一样的近平面和远平面在屏幕内所占pixel变得一样了，但是前面获取的**shadowmap和视锥体内物体的对应关系并没有改变**，这导致了什么？——对于近平面/前景，shadowmap的一个texel将对应屏幕里的很多pixel，因此就会出现下述情况：

![64ef31329dd04c08a6051d0ee6e76c08.png][]

虽然远处的A和近处的B明明分辨率是一样的，但图中靠近摄像机B的阴影就出现了明显的**块状感**，也就是透视走样。

### 1.2 解决方案-CSM ###

其实有两种解决办法，第一种就是在光源位置采样获得shadowmap之前，我们先做一次透视投影，那就不会出现透视投影之后一个texel对应的pixel远、近平面不一样的情况了。

第二种解决办法，**级联阴影映射**（Cascaded Shadow Map），它也是目前公认的透视走样最有效的解决思路。

#### CSM的想法思路 ####

采取某种办法尽量减少近平面和远平面之间的像素差距，像素差距小了，那透视对texel覆盖关系的影响不就少了！

#### CSM的具体办法 ####

从它的解决办法看，级联阴影映射又可以叫做多重阴影映射，因为说白了就是一种采用多张shadowmap去实现阴影的技术。具体操作：通过平行于视图方向的切片将视锥体截成多个子视锥体，每一个子视锥体都对应一张shadowmap，每张shadowmap独立计算但**分辨率相同**，如下图：

![cde6c727e923460bab4558f4c9568068.png][]

对于级联的划分，一般采用对数划分，具体划分我直接截图了（图来自[7.2 Shadow Map][]

![def45c211c0e4a6d9d35cc6d630b0619.png][]

还需知道的是：如果真的在view space也就是视锥体划分级联，一旦镜头转动会产生很严重的闪烁，所以**一般划分级联是在光源空间中划分**。（参考[DX12渲染管线(6) - 级联阴影与距离场阴影][DX12_6_ -]中的说法）

### 1.3 Unity中的CSM ###

Unity可以在Project setting里可以进行级联阴影分级的设置：

![5f704d5398b1473bb3cfecbd6f7e6e09.png][]

*  **Shadow Cacades**

Unity提供2和4两种划分方案，一般来讲4已经足够了。

*  **Cascade splits**

图里选择的是Four Cascades，底下0-4咋占比越来越大？结合下图来看，每张shadowmap的分辨率是相同的，但是离摄像机越近的子视锥体它的质量应该越高，越远的质量越低，相同分辨率的条件下当然是越精细/小，细节刻画的就越细致。所以0-3是按照近->远分的，这样划分还可以充分利用资源。

![42ab4a982cc342849c8bb6901d9a7a84.png][]

*  **Shadow Distance**

用来控制近平面到级联阴影的最远距离，整个级联阴影也是只在这个范围内产生阴影，这也减少了阴影带来的开销。

#### 查看shadowmap绘制过程 ####

![6e0c41b94af241a9b35c3faa4375f1af.png][]

在Unity里随便搭一个阴影相对较多的场景，在Frame Debug里查看shadowmap的整个绘制过程，会发现它就是按照4张分别进行的，如下图：

![6ac91c7d7c5a40f29334bd23b73ec63b.png][]

## 2 重采样走样 ##

关于这个其实就是Games202作业1的内容了，我在[GAMES202作业1-实现过程详细步骤][GAMES202_1-]中也详细说明了PCF和PCSS是如何实现的，展示了过程，这里我不再赘述~

### Unity中的阴影类型 ###

![2b12e098933c4a7a9ea046bcde9abfdd.png][]

用户是可以通过选择Light组建的Shadow Type来选择阴影的Hard/Soft。

至于Unity中具体是如何实现的，打算去学校图书馆借来《Unity 3D 内建着色器源码剖析》那本书看看，后期肯定对管线搭建的学习有所帮助，这里就不再说了。

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最后我只想说，阴影这里只学到PCF和PCSS是远远不够的。因为Unity已经给我们把关键的东西都写好了，内置着色器往往帮了一个大忙。网上也有很多大佬抛弃Unity自己搭建一个阴影系统， 例如[实时渲染-阴影渲染实现（Unity）][-_Unity]等等，后期我也会尝试srp管线的搭建，那时一定会重新捡起来阴影这部分继续深入学习。

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[7.2 Shadow Map]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/393718771
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[DX12_6_ -]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/92017307
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[GAMES202_1-]: https://blog.csdn.net/qq_41835314/article/details/125726339
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[-_Unity]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/378108955