【Unity】Planar Shadows平面阴影的实现

Plannar Shadows，即平面阴影，是一个适用于平坦地形的假阴影技术。要求阴影的Receiver为平面，Occluder不与其他物体穿插。

实现效果

1.定向光源Planar Shadows

2.点光源Planar Shadows

实现步骤

实现Planar Shadows，这里主要考虑两种光源，定向光和点光源两种十分常用的光源类型。实现Planar Shadows的核心就是推导两种光源的投影矩阵，为了简化矩阵，将xz平面（y=0）作为Receiver平面。

顶点着色器核心代码如下：

    v2f vert(a2v v)
    {
        v2f o;
        o.uv = v.uv;
        half3 wordPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
        //投影：中心投影（透视投影，点光源），平行投影
        //平行投影：斜投影（定向光），正投影

        half3 l=_WorldSpaceLightPos0.xyz;
        //透视投影矩阵：将点光源投影到xz平面
        half4x4  Projection=half4x4(
            l.y,-l.x,0,0,
            0,0,0,0,
            0,-l.z,l.y,0,
            0,-1,0,l.y
        );
        //斜投影矩阵
//        half4x4  Projection=half4x4(
//            l.y,-l.x,0,0,
//            0,0,0,0,
//            0,-l.z,l.y,0,
//            0,0,0,l.y
//        );
        half4 shadowPos=mul(Projection,half4(wordPos,1));
        shadowPos.x/=shadowPos.w;
        shadowPos.z/=shadowPos.w;
        shadowPos.y=_HeightBias;
        o.pos=UnityWorldToClipPos(shadowPos);
        return o;
    }

1.额外的阴影Pass

需要在Shader中，常规渲染Pass外增加新的用于Planar Shadows的额外的渲染Pass。

2.推导定向光和点光源的投影矩阵

定向光的投影类型为斜投影，点光源的投影类型为中心投影，需要提前推导出投影矩阵。为了条理清晰，在顶点着色器中进行了矩阵的计算。实际上，可以预计算矩阵然后脚本传递给Shader。

3.矩阵变换

首先将顶点变换到世界空间，然后进行投影变换。由于使用齐次坐标系，需要除w分量来得到正确的结果。

_WorldSpaceLightPos0——是Unity内置着色器变量，在光源为定向光的情况下，xyz分量表示方向，w分量为0，在光源为点光源的情况下，xyz分量表示位置，w分量为1。

_HeightBias——用来解决深度冲突造成的显示错误。

效果优化

以上的步骤虽然完成了阴影的形式上的正确，但仍然有优化的空间。接下来介绍使用模板缓冲，实现更优的效果。

优化效果如下：

上图实现了阴影边缘裁剪和半透明的效果。

1.边缘裁剪

为了实现边缘裁剪的效果，这里用到了模板缓冲，用于Mask掉超出Receiver边缘的阴影像素。

首先，在Receiver的Shader中，添加模板缓冲的代码：

        Stencil {
            Ref 1
            Comp always
            Pass replace
    }

这段代码的用处是，将模板值1写入到模板缓冲中，即Receiver覆盖像素位置的对应模板缓冲区的模板值均为1。

 

然后在我们Occluder的Shader中，将Queue值调整为Receiver的Queue+1，同时添加一下的代码：

    Stencil {
    　　 Ref 1
        Comp equal
        Pass keep 
    }

这段代码的用处是，绘制阴影像素的模板值为1，与深度缓存中已有的模板值比较，如果相同的话，那就保持缓冲区值不变，模板测试通过，像素将被绘制。关闭深度缓冲写入的意义是使得渲染按照先渲染Receiver然后Occluder的顺序，让Receiver的模板值先写入模板缓冲中。

2.半透明

如果我们直接对阴影进行半透明着色，会发现在简单物体上效果还可以。但是在复杂的模型上，有很大的问题，如下图所示：

因此，我们为了解决这个问题，需要用模板缓冲，来保证每个像素被绘制一次。

做法很简单，除了对一些透明的相关设置外，需要对Occluder的模板缓冲代码进行修改。

    Stencil {
        Ref 1
        Comp equal
        Pass incrWrap
        Fail keep
    }

这段代码的和上面的不同是，如果模板测试通过，将模板缓冲中的模板值+1，像素被绘制。这样的话，如果一个重叠像素要被绘制，因为模板值+1=2，不通过模版测试（条件为Equal），并不会被绘制。

小结

虽然实现了阴影的正确投射，以及边缘裁剪和半透明问题，现在的效果于Unity中Hard Shadow的效果已经十分接近。对于对于如何实现软阴影（本影+半影），希望有较好的解决方案。