原文：https://catlikecoding.com/unity/tutorials/scriptable-render-pipeline/directional-shadows/

• 支持多個方向光陰影
• 控制陰影距離
• 定義獨立的主光源
• 渲染和采樣級聯陰影（cascaded shadow map）
• 使用球形剔除

1.?Shadows for Directional Lights

直射光和聚光源在概念上沒有什么本質不同。除了直射光來自無限遠的地方，兩者基本相同。所以只需要一些調整，就可以讓聚光源陰影的方法適用于直射光。我們將進一步改進我們的渲染管線，讓它能混合直射光和聚光源的陰影。

1.1?Configuring Shadows

目前ConfigureLights中只處理了聚光源的陰影數據。而處理直射光源陰影的代碼和聚光源的是相同的。為了重復利用這些代碼，我們對代碼進行一些重構，把它們寫成單獨的方法。

與聚光燈相比，渲染方向光陰影貼圖時有些不同，因此需要在處理時指明它是直射光。我們用陰影數據的z分量來作為判斷的標識

1.2?Rendering Shadows

對于方向光，我們需要用ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives函數來獲得裁剪信息，然而聚光源是用ComputeSpotShadowMatricesAndCullingPrimitives函數。重構部分代碼，聲明一個bool變量，用該變量保存是否有有效的方向光或者聚光源。

如果陰影數據表明我們處理的是方向光，就調用ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives?。這個方法有更多的參數，因為它支持陰影級聯（這里我們先不用）。第一個參數要求提供一個光源序列，接著是級聯的序列以及級聯的數量。我們現在用不到級聯，所以序列設為0，數量設為1。之后是定義了級聯分級的三維向量，我們使用（1,0,0）。然后是整型的圖塊尺寸和陰影近平面值。最后是投影矩陣等輸出參數。?

splitData數據中包含了一個有效的剔除球體。該球體包裹了所有需要被渲染進直射光陰影貼圖的物體。這對于直射光來說非常重要，因為直射光不像聚光源，他會影響所有物體，我們需要有一個剔除球體來限制渲染進陰影貼圖的圖形數量。對于聚廣源該設置沒有效果，沒有什么影響。

1.3?Shadow Distance

此時我們應該可以得到方向光的陰影貼圖了。但是看起來我們得到的貼圖是空的，即使有也可能只是幾個小點。造成這個現象的原因是這個貼圖需要涵蓋的范圍太廣了，覆蓋了攝像機能夠看到的所有東西，默認是1000單位，由相機的遠平面控制。想看到貼圖的內容就要大幅降低相機遠平面距離。

但陰影的渲染范圍并不應該取決于相機遠平面，這只是默認的情況。陰影距離也能控制陰影的渲染范圍。陰影距離通常遠小于相機的遠平面。兩者綜合考慮既可以限制陰影渲染的范圍，又可以處理比陰影距離更小范圍的情況。

在MyPipeline中為陰影距離添加一個字段，并在構造方法中設置。我們從相機中提取陰影距離并賦值給剔除參數。因為渲染相機可見范圍外的陰影沒有意義，所以使用陰影距離和相機遠平面中的最小值更合理。

在MyPipelineAsset中為陰影距離添加一個配置選項，并設置一個合理的默認值，比如100。

1.4?Investigating Shadows

陰影距離降低到合理的值，直射光的陰影終于出現了。我們將光源的陰影偏移設為0并使用一個更大的平面作為地面。使用單個直射光照射。

因為偏移設為了0，我們可以大致看到陰影貼圖覆蓋的區域。和聚光源的陰影不同，方向光的陰影貼圖隨相機移動而改變。另外，陰影貼圖的邊緣也會影響超出陰影范圍的場景物體，這是因為我們采樣坐標會超出貼圖邊緣（結果會采樣邊緣的值，因為我們紋理設置的是clamp），這導致貼圖的邊緣被拉伸至無窮遠。當我們的陰影光源多于一個時，拉伸消失了，因為我們為每個圖塊使用scissoring清理了邊緣。

然而當采樣多個超出范圍的tiles時我們會得到錯誤的結果，tiles越多，結果越糟糕。?

1.5?Clamping to Shadow Tile

方向光陰影貼圖有些麻煩是因為當它們被采樣時，無論物體是否在陰影貼圖的覆蓋范圍內都會進行采樣。解決方法就是限制陰影采樣坐標在tile內。我們在縮放到正確的圖塊前將陰影空間位置限制在0-1之間。之前沒有做限制我們可以在MyPipeline里完成整個轉換矩陣的計算，現在我們不得不把這一步移到shader里了。

tile scale信息對于變換時是必須的，我們將其傳入shader。聲明一個全局的vector用于保存陰影信息，將其命名為_GlobalShadowData?并持有它的標識符。

offset信息也是必需的，我們將其存儲在ZW分量中。

之后移除對圖塊矩陣的乘法計算并在shader中在陰影緩存區添加一個全局陰影向量

在ShadowAttenuation函數中，在透視除法后對陰影位置的xy坐標做限制，將其限制在0-1范圍內，之后再應用圖塊的坐標變換。?

直射光陰影需要透視除法嗎？

不需要，因為直射光陰影貼圖用的是正交投影。陰影位置的w向量恒為1，但是我們要混合直射光和聚光源，所以我們統一執行透視除法。

1.6?Always Use Scissors

我們解決了在多個圖塊時的陰影雜亂（ shadow soup）問題，但是當場景中僅有一個方向光時陰影貼圖的邊緣仍會被拉伸。我們在RenderShadows中設置成無論幾個光源都使用裁剪來解決這個問題。

1.7?Clipping Shadows Based on Distance

盡管陰影的距離是根據相機視角的距離，但是陰影并不是在當物體離開這個范圍后立刻消失。這是因為陰影貼圖覆蓋了一個立方體的空間區域，只要這個區域的一部分在范圍內，就會整個都渲染。方向光隨著相機的移動陰影貼圖也會重新渲染，所以對于這一問題方向光很合適，但是聚光源就不一樣了，它的陰影空間區域和光源鎖定，即使陰影距離只占空間的很小一部分，最終渲染的還是整個區域。結果就是聚光燈陰影貼圖包含的所有陰影同時出現和消失。

我們可以使用配置的陰影距離來剪切陰影使陰影消失的邊界線更統一。要想這么做，就得把陰影距離傳給shader。我們將它放在全局陰影數據向量的第二個分量中。在我們實際裁剪時，我們用的是它的平方來進行比較，所以我們就直接存儲陰影距離的平方。

在shader中，我們還需知道相機的位置。Unity在配置相機的時候就會自動提供這個信息。所以我們要做的只是在UnityPerCamera?緩存區中添加一個_WorldSpaceCameraPos?變量。

創建一個DistanceToCameraSqr函數，該函數輸入世界位置，輸出與相機的平方距離。

在ShadowAttenuation中調用這個方法，檢查是否超出了陰影距離，如果是就跳過陰影采樣。

現在所有的陰影都在相同的距離消失，而不會突然的出現和消失了。

我們可以平滑的過渡陰影嗎？

你可以添加一個漸變距離并使用一些過渡函數來實現，如線性插值，smoothstep等。

2.?Cascaded Shadow Map

陰影貼圖的缺點就是作為紋理，其分辨率必然是有限的。雖然你可以提高紋理分辨率來獲得更好的效果，但仍沒有擺脫這個限制。聚光源只覆蓋了一小塊區域，所以它的效果可以接受。但對于方向光，它的照射范圍是無限大的。在視野遠處的陰影效果也許還可以接受，但是近處的陰影卻會顯得非常塊狀。我們稱之為透視鋸齒（perspective aliasing）

我們需要給近處的陰影提供更高的分辨率，遠處的可以分辨率低一些。我們可以根據距離使用不同的分辨率，解決方案就是為同一個光源渲染多張陰影貼圖。我們在近處使用高分辨率陰影貼圖，在遠處使用低分辨率。這些陰影貼圖稱之為級聯陰影（shadow cascade）

2.1?Cascade Amount

Unity通常為級聯陰影數量提供三個選項：0、2、4。我們也一樣，在MyPipelineAsset添加一個ShadowCascades枚舉用于配置數量，默認為4。

2.2?Cascade Split

Untiy還允許指定級聯在陰影距離中的分布情況。通過將整個陰影距離劃分成二或四個部分來實現。如果是2個級聯，就用一個值來決定在哪里劃分兩者。如果是四個級聯，就用存儲在向量中的三個值，將陰影距離劃分成四個部分。我們使用與輕量級渲染管線相同的默認值。

但是Unity不會直接將這些值暴露在檢視面板，而是顯示一個特殊的GUI控件來允許你調整級聯的區域。我們也來實現這種效果，先把這些屬性隱藏起來。

我們需要創建一個自定義編輯器來顯示聯級劃分的GUI，我們先創建一個最基礎的。將它的腳本資源放在Editor文件夾中。獲取三個相關屬性，并繪制默認的檢視器。我們還需要使用UnityEditor.Experimental.Rendering命名空間

在繪制默認檢視器之后使用switch語句來決定我們繪制哪種級聯的GUI。使用CoreEditorUtils.DrawCascadeSplitGUI?函數去繪制，之后調用序列化對象的ApplyModifiedProperties?方法來確保用戶的修改可以應用到我們的資源中。

?MyPipeline只需要知道要使用多少級聯以及他們的分布值是多少。我們可以使用單個三維向量同時處理二段和四段級聯的分布數據。按要求添加字段和構造參數。

當MyPipelineAsset調用渲染管線的構造方法是，總是要求傳入一個分布情況向量，即使實際是二段級聯。這這種情況下，我們將唯一的分布值作為向量的第一個分量，另外兩個設為0。

2.3?Cascades for Main Directional Light Only

我們不為所有的方向光都提供級聯陰影功能，因為渲染多個陰影貼圖性能消耗很大。我們將最明亮最重要的一個方向光源作為主光源，為其提供級聯陰影，其他方向光只提供單陰影貼圖。

主光源總是可見光列表中的第一個元素。我們可以在ConfigureLights中判斷第一個光源是否符合標準，如果是方向光、陰影強度為正數，并且開啟了陰影級聯，那就說明是有效的主光源。我們用一個bool字段來記錄這個情況。

我們會為主光源提供單獨的渲染貼圖，所以當我們擁有主光源時，讓圖塊計數減1，并且在RenderShadows函數中將其從常規陰影貼圖渲染中排除。

將級聯陰影以tiles的形式渲染到一張單獨的陰影貼圖中，將其命名為_CascadedShadowMap。添加相關的標識符和字段。并在最后和其他陰影貼圖一樣釋放紋理資源。

2.4?Reusing Code

渲染級聯陰影和之前我們做的陰影渲染很相似，但是其中的差異還是有必要用一個單獨的方法才能完成。然而這兩個方法里許多代碼都是重復的，我們把這部分代碼重構成單獨的方法。

首先是關于陰影渲染目標的設置，兩者在這部分的代碼是相同的。我們只需要用兩個字段記錄兩者渲染目標對應的渲染紋理即可。

然后是設置陰影tiles。計算tiles偏移，設置視口以及剪裁，偏移值可以用二維向量返回值得到。

再然后，計算world-to-shadow矩陣這部分也可以放在一個單獨的方法里，我們將視角和投影矩陣作為引用類型的參數傳入，這樣可以避免不必要的拷貝變量。同樣，將world-to-shadow矩陣作為輸出參數。

最后，調整RenderShadows函數使其使用重構后的函數。

2.5?Rendering Cascades

級聯陰影的world-to-shadow矩陣需要單獨存儲在數組中，添加對應的字段，因為我們級聯數量最多為4，所以數組大小設置為4。

創建一個RenderCascadedShadows方法，首先復制RenderShadows的代碼。接下來就簡單了，我們不需要考慮聚光源并且只會用到第一個光源。我們不需要處理每個光源的陰影數據，而且陰影設置肯定是開啟級聯的。級聯不是四段就是兩段，也就是說陰影貼圖總是分為四個tile。

在調用ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives時，我們光源序列為0，并使用for循環的迭代值作為級聯序列。在這里我們就需要提供實際的級聯數量和分布向量了。最后，我們再把圖塊的坐標轉換附加到world-to-shadow中，在tile界限范圍內渲染陰影是之后shader能正確采樣到級聯陰影的重要前提。

在ConfigureLights后，如果有主光源調用該函數

現在我們最終可能有0張，一張或者兩張渲染紋理。如果只有主光源，只需要渲染級聯陰影貼圖。如果有另外帶陰影的光源還需要渲染常規的陰影貼圖。或者我們有陰影但沒有主光源，那我們就只需要常規陰影貼圖。如果你在frame debugger中檢查級聯陰影貼圖，你會看到它由四個圖塊組成。它們內容是否可見取決于陰影距離和級聯分布。

2.6 Sampling the Cascaded Shadow Map

在shader里使用級聯陰影貼圖，需要做一些事。首先，我們得知道使用軟陰影還是硬陰影的方式采樣貼圖，這一點我們可以通過shader關鍵字來控制。我們使用兩個關鍵字來區分級聯的軟硬陰影，省去了在shader中創建分支的需要。

接下來我們需要知道陰影貼圖的尺寸和陰影強度，雖然我們可以直接用_ShadowMapSize但是為了讓shader能分開處理兩者的大小，我們使用單獨的_CascadedShadowMapSize?來表示。

在RenderCascadedShadows函數末尾設置這些值和關鍵字。

同樣也需要在RenderCascadedShadow?沒有被調用的情況下關閉級聯陰影的關鍵字

在Lit?shader中為級聯陰影關鍵字添加多重編譯指令。共有三個選項：無/級聯軟陰影/級聯硬陰影。

之后向shadow buffer中添加所需的變量，定義級聯陰影貼圖紋理和采樣器

添加一個表明是否采樣級聯陰影的bool參數來使HardShadowAttenuation既可以用于常規的陰影采樣也可以用于級聯陰影，參數默認為false。用這個bool值來決定具體使用哪張紋理和采樣器。我們使用的bool參數是硬編碼的，也就是說在實際編譯時并不會產生條件分支。

SoftShadowAttenuation?也一樣，不過在這里只需要選擇正確的紋理就好了，其余的由HardShadowAttenuation?函數完成，沒必要再寫一遍。

創建一個CascadedShadowAttenuation?方法，他就像ShadowAttenuation的簡化版。如果沒有級聯陰影，衰減直接設為1，反之才會計算陰影位置獲取軟硬陰影的衰減值并應用應用強度。

選擇正確的級聯陰影貼圖是下一節介紹的內容，這一節我們先硬編碼統一使用第三張級聯陰影貼圖，也就是使用_WorldToShadowCascadeMatrices?中序列為2的轉換矩陣。如果你用的是四段級聯，使用第三張貼圖可以讓我們看到大部分區域的陰影。如果用第四張的話區域是大了，但是近處的陰影分辨率太低，影響觀察。

接下來，創建一個MainLight函數來計算主光源，它和DiffuseLight方法做的事一樣，但是限制了只計算索引為0的方向光，并且使用CascadedShadowAttenuation?來獲取陰影

如果有級聯陰影，就把主光源也加入LitPassFragment?計算漫反射總和中。?

主光源的級聯陰影現在終于能夠看到了，但是主光源在光照循環中被計算了兩次，這是錯誤的。我們不能簡單地跳過循環中的第一個光源，因為對每個物體而言，無法確保主光源就是最重要的那個光源。對此我們要么在shader的循環中添加分支，要么渲染前就干脆將主光源移出可見光列表。我們選擇后者，修改中ConfigureLight?的光源數量。這樣的副作用就是當我們有主光源時，像素光數量上限變成了5個。

從可見光列表中移除主光源的問題是如果我們使用了級聯陰影，每一幀都會修改可見光列表，從而導致臨時內存的分配。現在也沒什么好辦法，除非以后會出一個不會分配新數組的GetLightIndexMap?方法。

2.7?Selecting the Correct Cascade

現在主光源的級聯陰影貼圖終于能用了，但用的都是同一級別的級聯貼圖。第三張級聯貼圖對于遠處的陰影效果挺好，但是對于近處效果就很差。而第二張級聯貼圖恰恰相反，近處表現的很好，但是范圍實在太小了，遠處根本沒陰影。

Unity使用級聯分段值劃分每個級聯貼圖負責的陰影空間區域。它使用一個剔除球體來定義每個級聯貼圖的范圍。剔除球的半徑依次增加，球的位置也同樣。想知道我們使用哪一等級的級聯貼圖，我們就得找出片元處于哪個剔除球內部。

我們要把剔除球的信息傳給shader。使用數組是最方便的方法。在MyPipeline中添加對應的標識符和字段。用四維向量表示每個球。xyz分量描述球的位置。w分量定義球的半徑。

在RenderCascadedShadows函數里我們可以獲取每個級聯的剔除球。我們只需要簡單的把它拷貝到我們的數組然后再傳給shader就ok了。因為在判斷片元位于哪個剔除球時只會用到半徑的平方，所以我們傳入半徑的平方來減少shader的運算。

shader中，將剔除球數組變量添加到陰影緩沖區

?創建一個很便捷的方法，用于判斷一個點是否在剔除球體內。

在CascadedShadowAttenuation里為四個剔除球各調用一次這個方法。返回1表示該點位于剔除球內，返回0就在球外面。返回值就是表示這些球是否有效的標志。在確定級聯等級前將這四個值放在一個flaot4類型變量中。

一點位于一個球的同時，還躺在更大的球里面。我們最終可能得到五種情況： (1,1,1,1), (0,1,1,1), (0,0,1,1), (0,0,0,1),(0,0,0,0)。我們將這四個值加起來除以四得到的值返回來觀察級聯層次。也就是點乘?。

我們使用第一張符合要求的貼圖（所渲染的點所在范圍最小的級聯貼圖），也就是說我們需要把其對應標志位后邊的標志值清零。

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一個點至少在一個剔除球里面時，結果是沒問題的，但點如果在所有剔除球外面，結果為0，會錯誤的采樣了第一張級聯陰影貼圖。Unity在這里用了一個小技巧，它在world-to-shadow中添加一個零矩陣作為第五個數組元素來表示不存在的那個聯級貼圖。零矩陣會將陰影位置轉換到近平面，自然就不可能產生陰影了。我們也這樣做，為MyPipeline的worldToShadowCascadeMatrices?數組添加第五個元素。

?然而，如果z緩沖區反轉，那我們就得將陰影空間的z坐標設為1才能表示近平面，我們在構造函數把這個矩陣的m33字段改為1即可。

增加shader中對應數組的長度，并完成(0,0,0,0) → 4的轉換，我們該為將值和（4,3,2,1）點乘，讓4減去它來得到級聯等級

我們可以混合級聯貼圖嗎？

和Unity的渲染管線一樣，我們直接選擇一個級聯貼圖采樣。結果可能在每個級聯之間會有不連續的圖像。也就是陰影的像素突然發生變化。你也可以定義一個過渡區域，并在其中對兩個相鄰的級聯貼圖插值。這要求我們尋找兩個級聯貼圖的序列，一個混合因子，以及雙倍的陰影采樣。

因為剔除球不會與相機和陰影距離對齊，所以級聯陰影不會和其他陰影一樣在同一距離消失。我們也一樣可以在CascadedShadowAttenuation?中檢查陰影距離來實現統一的效果。

Unity采樣級聯陰影貼圖時，不是應該用一個屏幕空間的pass嗎？

沒錯，Unity使用一個單獨的屏幕空間pass，將級聯陰影渲染到另一張紋理中去。這其實和我們做的一樣，只不過它會有一個整體的顯示。以便在forward pass的每個片元中采樣其中的陰影數據。屏幕空間pass會比較迂回地完成這些工作，而逐片元的計算方式則更為直白簡單，這也是我為什么會選擇這種方法作為教程教學。

使用單獨的全屏pass的一個原因是可以更快的采樣陰影。在有大量重復繪制的情況下，效果會更好，因為此時可能會有多個片元對同一個位置采樣。通過增加一個僅深度的pass存入深度緩存，來消除不透明物體的重復繪制以減少計算量。屏幕空間陰影的方法總是需要一個depth-only?的pass來提取片元的深度值。

另一個原因則是因為Unity的舊版渲染管線可以用它展現高質量的軟陰影濾波結果。但是在輕量級渲染管線里就用不到了，他對于所有的陰影采樣都使用相同的代碼。

哪個方法最好呢？你可以自己測試這三種情況：逐片元，depth-only?的逐片元，以及depth-only?的屏幕空間

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Unity SRP自定义渲染管线 -- 5.Directional Shadows的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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