对 Unity 阴影技术的调研

1. 阴影技术 #

阴影技术乃是游戏赤裸建模的最佳点缀手法, 可说是一步到位改进真实环境的最佳手段之一. 因为世界是充满阳光和灯光的（否则人眼是不能看到完全黑暗的东西的）. 有光的地方就意味着有阴影的覆盖和光线的折射, 阴影技术在游戏之中的地位也就得到了认可.

在真实的光线投射物体产生的阴影之中, 是绝对不可能出现阴影清晰可见以及和物体体积相同的情况. 而绝大部分阴影技术的运算方式极其简单, 仅仅是复制出了一个与物体体积接近同时粗细相同的黑色部分投射在一个合理的坐标内. 这种运算方式毫无疑问会给画面带来一层清晰的阴影, 就如同将图形复制了一个然后进行“涂黑”, 如同是复制粘贴出来的“标本”而已.

传统阴影渲染出的阴影永远是如同刀锋一般锋利, 清晰度永远不会发生变化, 这使得游戏的环境永远与真实环境产生了天和地的隔阂. 因为传统的阴影技术永远是不会思考和计算的“静态阴影”. 而随之而来的便是改进之后的柔化阴影边缘 — 软阴影 Soft shadow, 这种改进之后的软阴影确实改进了普通阴影虚假又锋锐的边缘.

2. 软阴影 #

Soft Shadow, 字面上翻译过来是软阴影, 其实叫作“柔和阴影”似乎更恰当. 在生活中, 我们知道阴影的过渡是渐变的, 而软阴影的作用就是要模拟这种阴影渐变且在阴影周边制造虚化的效果, 应用软阴影以增强场景的真实感.

这张图片很好的展示了阴影是如何随着距离的延伸变得更加柔和.

观察灯光与环境中的物体交互时会发现, 很明显阴影几乎不会完全平直. 灯光以直线传播, 但它几乎不可能无限小到可以产生完全平直的阴影. 为了使场景看起来更加可信, 如果软件支持就有必要考虑使用软阴影. 方向光在虚拟场景中常用作日光. 在将方向光做为场景中的日光前, 有必要思考一下日光的特点. 尽管光是直线传播的, 太阳无限远, 但阴影也不会是完全平直. 方向光可以使用烘焙阴影角度（Baked Shadow Angle）变量来表示软阴影的效果.

为了在 Unity5 中实现点光和聚光灯的光照衰减, 需要将灯光的阴影类型设为软阴影. 做以上操作时会出现一个叫做阴影半径（Baked Shadow Radius）的变量.

区域光在 Unity5 中才可烘焙, 自带软阴影, 只需进行瞄准和烘焙即可. 将区域光放置在窗户外, 可以很好的为室内场景再添一束光.

普通软阴影 :

一般来说在游戏中阴影的生产方法有 2 种 : Shadow Mapping（阴影映射）和 Shadow Volumes（体积阴影）. 对于在阴影映射下实现软阴影效果, 通常采用的方法是 : 在阴影边界进行高精度超级采样的方法, 如虚幻 3 引擎就是进行 16X 的超级采样, 这就是软阴影消耗系统资源大的原因. 对于在阴影映射下实现软阴影, 通常是在阴影边界进行高精度超级采样的方法, 如虚幻 3 引擎就是进行 16X 的超级采样, 这就是软阴影消耗系统资源大的原因.

体积阴影 :

Shadow Volumes（体积阴影）是一种基于几何形体的技术, 它需要几何体在一定方向的灯光下的轮廓去产生一个封闭的容积, 然后通过光线的投射就可以决定场景的阴影部分（常常使用模板缓冲去模拟光线的投射）. Shadow Volumes（体积阴影）这项技术是像素精确的, 不会产生任何的锯齿现象, 但是与其他的技术一样，它也有缺点 : 其一、极度依赖几何形体; 其二、需要非常高的填充率; 其三、相当耗费CPU资源. 采用体积阴影来实现软阴影效果的游戏不多, 《DOOM3》和《F.E.A.R.》就是采用的体积阴影技术的游戏.

而 NVIDIA 对于当今的阴影技术仍旧不够满意, 于是 GameWorks 之中自然也集成了最新一代的 PCSS 软阴影技术。

百分比接近柔和阴影 PCSS 是当今最真实的软阴影模式, PCSS 强大逆天的地方便是它具备动态的特性, 其具备强大运算能力可以精确判断出物体投射光线不同距离所呈现出应有的清晰度, 这就意味着 PCSS 百分比近似柔和阴影技术可以根据投射阴影离开光源的距离来决定阴影的柔化程度. 这些阴影根据投射距离的长短会产生不同的柔化效果, 不同的投射物也可以因为本身的高低长短在相同光源的情况下产生不同柔化程度, 可说是目前所存在唯一一种具备高智能自我判断力的阴影技术.

PCSS 软阴影技术带来的革命性变化是毋庸置疑的, NVIDIA 采用强大的 GPU 视觉运算技术设计了这项运算方式较为复杂的高智能阴影技术, 它是一个真正有头脑, 会思考, 会判断的动态阴影技术. 直接导致了它与其他“静态无脑阴影”有本质的差距, 这也就是为什么在《GTA5》以及《孤岛惊魂4》等游戏中，特别采用了这项技术的原因. 而 PCSS 真正用它的实力证明了自己在 Game Works 的主要地位, 也切实的对传统阴影发起了挑战, 并为新一代游戏画面带来革命性变化.

3. 学习引用资料 #

http://www.wtoutiao.com/p/1e3cnd2.html
http://vga.zol.com.cn/522/5225033.html

End.