版权声明

• 本文为“优梦创客”原创文章，您可以自由转载，但必须加入完整的版权声明

• 更多学习资源请加QQ：1517069595，获取（企业级性能优化/热更新/Shader特效/服务器/商业项目实战/每周直播/一对一指导）

前言

众所周知，在游戏当中，阴影是无处不在的，如果一款游戏没有阴影，那么不光画质会大大折扣，游戏性也会大大降低，因此，我将通过这篇文章给大家谈一谈关于三种阴影渲染方式相关的知识，由于篇幅所限，我将着重讲解一种基础的渲染方式即平面阴影的实现。

一、平面阴影

• 平面阴影虽然是一种相对简单的渲染方式，但是在我们的平面游戏中是一种非常普遍的阴影渲染方式，比如王者荣耀中就采用了这种阴影渲染方式，如下图，右侧代码实际上就是王者荣耀平面阴影的一个代码实现

1.1 实现步骤

• 对一个角色模型进行了两次绘制（两个Pass)：

• 一次是利用模型数据绘制了游戏物体本身

• 第二次是利用模型数据绘制角色阴影，我称这种绘制方法为两遍绘制。

• 第一个Pass在我之前的视频中有介绍过，今天就不着重讲解了，这篇文章主要讲解第二个Pass的绘制

• 首先要给大家介绍一下图形着色器，图形着色器由两个部分组成：

• 我们可以将一个基础模型看做是一个三角形，这个三角形由三个点构成，如何去控制这个三角形在场景中的位置呢？这时，就需要用到我们的顶点渲染程序来确定三角形的绘制位置。下面是一段顶点渲染程序。

• 第一部分为顶点渲染，确定顶点位置

第二部分为像素着色：

• 当我们确定了三角形在场景中的位置之后，他的内部需要填充一个什么样的颜色呢？像素着色程序就是对三角形内部填充颜色的一个设置。下面是一段像素着色程序。

回到我们的游戏阴影绘制来说，我们究竟要在顶点程序和像素程序里面做什么呢？

1. 首先，我们在顶点程序里面需要干两件事情，第一件事情，就是把所有的顶点变换到世界空间，同时在地面上产生一个垂直的投影，第二件事，我要计算我的光线，根据光线的投射方将对地面的投影做一个平移。

2. 其次，当我们的模型投影好之后，就要对阴影进行一个着色，通过rgb和透明度的设置，也就是半透明混合，来达到本身的颜色和阴影的颜色进行混合，最后得到一个“五彩斑斓的黑“的阴影效果。

3. 当你掌握了第二个pass的绘制，基本就达到了shader绘制入门的水平，但是在一个商业项目中，这样的一个阴影效果是不够完善的，如果单纯的利用这种方法渲染阴影，会产生很多问题。我会例举其中的几个问题，并提供我的解决方案。

1.2 平面阴影渲染所存在的问题

1. 阴影重叠

• 阴影是半透明的，在渲染前，我们会开启阴影渲染的透明混合状态，模型的正面和背面的三角形可能重复渲染，造成不透明度的叠加，这种的叠加是非常杂乱无章的。如图所示，阴影非常地杂乱。

• 什么是阴影重叠？：

• 造成阴影重叠的原因：

• 其实主要原因是我们Unity中默认的叠加方法是加法叠加，使得一个阴影被渲染了多次

• 解决方法：

• 我们为了解决阴影重叠的问题，应当保证每个阴影区域只被渲染一次，如何做到每个阴影只渲染一次呢？这里我要为大家介绍一种名为模板缓冲区的东西，什么是模板缓冲区呢？模板缓冲区实质上就是一个和我们屏幕大小一样的二维数组，他的原理如图所示。

• 
  

模板缓冲区对阴影进行渲染时，我们会在每一帧渲染时，将像素点的值设置为零，我们用零与特定的参考数值进行比较，当他满足比较条件即通过我们的模板测试时，对于通过测试的像素点，我们将他的模板值替换为参考值，当下一次在相同的位置进行渲染时，就无法通过模板测试，我们就舍弃了该片元，从而保证一个像素点只被渲染一次。

2.其他问题

• 除了阴影重叠的问题之外，还存在着两个问题：

1. 由于平面阴影所在的高度与地面相同，由于浮点精度问题，会造成“深度抖动问题”

        2.由于阴影是物体本体压扁形成的，所以，在地面边界处，物体的阴影可能超出边界

• 优势：

• 不需要打灯

• 渲染速度快

• 劣势

• 只适用于平面表面

• 高低起伏的地面上会出现阴影穿插，当出现地面起伏时，阴影会被凸起的地面遮挡

二、阴影锥

• 原理：

• 阴影锥采用了一种叫做模板缓冲区的方式，如下图，存在一个三角形，当光源照射三角形，它会产生阴影，我们对这个三角形进行一个拉伸，正面会拉长出来一个紫色区域和一个蓝色区域，这两个区域称之为正面区域，背面会产生一个褐色区域，当这三个区域拉长出来之后，就会形成一个三棱锥，也就是阴影锥。

• 实现方法：

• 阴影锥的实现公式其实就是（1）+（2）-（3）

三、阴影贴图

3.1阴影贴图的特点

• 阴影贴图是Unity官方所采纳的一种阴影渲染方式，官方为了集成阴影贴图的方式，已经做了很多的工作，我们作为开发者只需要在场景中设置好灯光，并且设置游戏中的gameobject是否能够产生阴影就能够完成

• 需要一个额外的ShadowCaster通道

• 便于实现软阴影

3.2阴影贴图的实现

1. 第一步：在灯光的位置生成一张深度图，将场景中的深度值渲染到深度图里面，如下图，地面的部分和方块被光线照到的地方需要被渲染，那么我们就把他们的深度值渲染到我们的深度图里面。这些场景的信息会被存储到一个额外的pass即ShadowCaster。

ShadowCaster是专门用来取得场景的深度信息的pass，这个Pass的深度信息是从灯光的位置取得的

1. 第二步：

• 假如我们要渲染地平面，而地平面是由一个个点组成的，假如我们要渲染点P，如果用我们的肉眼去看，那么很容易就可以看出点P是在阴影中，但是计算机如何知道点P是否应该被渲染呢？

• 将渲染的深度图，与点P在灯光空间中的深度值做比较，这里涉及到将点P的摄像机空间的深度值转换到灯光空间中。将点P转到灯光空间后，可以理解为点P距离灯光0.9，距离摄像机0.4,因为0.9>0.4，所以点P位于阴影之中，不用渲染。

3.3软阴影

• ShadowMap也能实现软阴影的效果，软阴影是游戏中重要的阴影效果，一个阴影是由本影和半影组成的，软阴影就是所谓的半影，如右下角的图，阴影的周围伴随着虚化的阴影。

• 进一步学习的内容：

• 如果场景中有多个光源，会对同一个物体造成多个阴影，如何实现多光源的实时阴影以及他的性能优化，可以继续关注我们的课程。

• 如图左边一个飞机停在飞机跑道上，因为跑道贴图和飞机阴影的深度值相同，因此会出现抖动。

• 深度抖动问题的解决。

• 多光源实时阴影及其性能优化 。

• 这篇文章我主要讲解了两个方面的知识，平面阴影的实现和模板缓冲区的使用，另外介绍了阴影锥和阴影贴图的实现原理，并且也介绍了一些商业项目中阴影效果实现可能产生的问题。

点赞、分享加关注可获得教程配套视频 更多学习资源请加QQ：1517069595获取（企业级性能优化/热更新/Shader特效/服务器/商业项目实战/每周直播/一对一指导

作者：优梦创客

出处： bilibili