【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

Screen Space Shadows（屏幕空間陰影）是Unity URP中通過屏幕空間數據實時計算陰影的技術，其核心原理是通過深度/法線信息重建世界座標後與陰影貼圖比較生成陰影。以下是詳細分析：

技術原理與發展歷史

• ‌基礎原理‌：傳統Shadow Mapping需從光源視角生成深度圖，再與攝像機視角深度比較。而Screen Space Shadows直接在屏幕空間計算，利用_CameraDepthTexture和_MainLightShadowmapTexture進行深度比較。

• ‌技術演進‌：

  • 早期採用標準Shadow Mapping存在精度問題
  • 引入級聯陰影（CSM）解決大場景問題
  • URP 14+版本通過ScreenSpaceShadowResolvePass實現優化
• ‌性能對比‌：相比傳統方案，屏幕空間陰影減少Overdraw但增加Depth Prepass開銷。

原理

核心原理

• ‌雙階段渲染機制‌

  • ‌深度圖生成階段‌：從光源視角渲染場景，將最近表面深度值存儲到_MainLightShadowmapTexture中
  • ‌陰影判定階段‌：在攝像機視角渲染時，將像素座標轉換到光源空間，比較當前深度與ShadowMap中的深度值，若當前深度更大則判定為陰影區域

• ‌級聯陰影優化CSM‌

  通過將視錐體劃分為多個層級（如4級），近處使用高分辨率ShadowMap，遠處使用低分辨率，平衡性能與精度

關鍵實現步驟

• ‌ShadowCaster Pass‌

  hlsl
  Pass {
      Tags {"LightMode"="ShadowCaster"}
      HLSLPROGRAM
      #pragma vertex ShadowPassVertex
      #pragma fragment ShadowPassFragment
      #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
      // 應用深度偏移防止自陰影偽影
      float3 _ShadowBias; // x:DepthBias, y:NormalBias
      ENDHLSL
  }

  該Pass專用於生成深度圖，通過_ShadowBias參數控制深度偏移

• ‌光源空間矩陣計算‌

  構建_MainLightWorldToShadow矩陣，將世界座標轉換到光源裁剪空間：

  csharp
  Matrix4x4 worldToView = light.transform.worldToLocalMatrix;
  Matrix4x4 viewToProj = GL.GetGPUProjectionMatrix(light.projectionMatrix, false);
  _MainLightWorldToShadow = viewToProj * worldToView;

  該矩陣用於在着色器中計算陰影座標

• ‌陰影採樣與混合‌

  在片元着色器中通過PCF(Percentage Closer Filtering)實現軟陰影：

  hlsl
  float SampleShadowmap(float4 shadowCoord) {
      float shadow = 0;
      for(int i = 0; i < 4; i++) {
          shadow += SAMPLE_TEXTURE2D_SHADOW(
              _MainLightShadowmapTexture,
              sampler_MainLightShadowmapTexture,
              shadowCoord.xyz + poissonDisk[i] * _ShadowSoftness
          );
      }
      return shadow / 4;
  }

  使用泊松圓盤採樣實現邊緣柔化

完整URP示例

• ShadowFeature.cs

  using UnityEngine.Rendering.Universal;
  
  public class ShadowFeature : ScriptableRendererFeature {
      class ShadowPass : ScriptableRenderPass {
          public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData data) {
              // 1. 配置光源參數
              var shadowLight = data.lightData.mainLightIndex;
              if (shadowLight == -1) return;
  
              // 2. 渲染ShadowMap
              CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get("ShadowMap");
              context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
              CommandBufferPool.Release(cmd);
          }
      }
  }

• ShadowShader.shader

  Shader "Custom/ShadowReceiver" {
      Properties {
          _ShadowStrength("Shadow Strength", Range(0,1)) = 0.5
      }
      SubShader {
          Pass {
              HLSLPROGRAM
              #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
              float _ShadowStrength;
  
              float4 frag(v2f i) : SV_Target {
                  float shadow = MainLightRealtimeShadow(i.shadowCoord);
                  return lerp(1, shadow, _ShadowStrength);
              }
              ENDHLSL
          }
      }
  }

參數説明

該實現結合了URP的ShadowCaster管線與自定義Shader，通過級聯陰影和PCF濾波達到平衡性能與質量的效果

參數説明與用例

‌實際應用場景‌：

• ‌動態物體陰影‌：配合CSM實現高質量移動物體陰影
• ‌性能敏感場景‌：中低端設備可降低Resolution至Medium
• ‌特效增強‌：結合Decal系統實現彈孔等動態貼花效果

完整配置流程

• 創建Renderer Feature並附加到URP Asset
• 編寫Shader處理深度比較邏輯
• 通過Frame Debugger驗證陰影生成階段
• 調整Bias參數消除陰影瑕疵

關鍵Shader需包含以下處理：

• 深度重建世界座標
• 光源空間座標轉換
• 陰影強度插值計算

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達
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