Unity中的陰影針對不同的光源類型，平行光，點光源，聚光燈有不同的處理方式，casting和receiving的實現都有些區別。我們根據光源類型的不同詳細看一下具體的實現。
平行光陰影
如圖中所示場景，有兩個平行光源，我們打開frame debug查看一下：
可以看到，對於平行光產生的陰影，Unity使用screen space shadow map來保存陰影信息。
首先，Unity對整個場景跑了一遍深度pass，記錄場景的深度信息：
Unity在這一階段定義了SHADOWS_DEPTH關鍵字，並且把ColorMask設置為0，意思是不會輸出任何顏色。另外，只有object的shader中包含ShadowCaster標簽，才會跑一遍該pass。ShadowCaster的代碼可以很簡單：
float4 MyShadowVertexProgram (VertexData v) : SV_POSITION {
return UnityObjectToClipPos(v.position);
}
half4 MyShadowFragmentProgram () : SV_TARGET {
return 0;
}
我們並不需要返回深度信息，z的值引擎底層會記錄下來。
screen space的深度圖有了之后，Unity會基於每個平行光源渲染一張shadow map，簡單來說，就是把平行光源當作一個攝像機，做一次正交投影，將場景中物體的深度信息記錄在shadow map上。
之后，Unity會做一次Collect Shadows陰影收集過程，用之前深度圖中每個pixel的深度信息，將其重建回世界坐標系下，然后變換到光源空間，對之前光源空間渲染的shadow map進行采樣。shadow map采樣出的信息就是被光源照射到最近物體的深度，通過比較兩個在光源空間下的深度信息，就可以判斷出當前pixel是否在陰影內，如果在陰影內則輸出0，能被光源照亮則輸出1。每個平行光源都對應一張各自的screen space shadow map。
聚光燈陰影
如圖中所示場景，有兩個聚光燈光源，我們打開frame debug查看一下：
可以看到，與平行光相比，少了深度pass，還有陰影收集的過程，Unity就只是簡單地把光源空間內的物體渲染到shadow map上。
點光源陰影
這次場景中有兩個點光源，打開frame debug：
可以看到，點光源渲染陰影所用到的pass數量非常多，一個點光源可能需要6次陰影pass，這是因為點光源的shadow map不是一張貼圖，而是一個cube map。Unity為點光源陰影定義了SHADOWS_CUBE關鍵字。
另外值得注意的是，ShadowCaster的pass需要添加如下定義：
#pragma multi_compile_shadowcaster
用Visual Studio可以看到具體的keywords：
// -----------------------------------------
// Snippet #2 platforms ffffffff:
Builtin keywords used: SHADOWS_DEPTH SHADOWS_CUBE
2 keyword variants used in scene:
SHADOWS_DEPTH
SHADOWS_CUBE
如果要為主平行光（base pass）添加陰影，需要添加SHADOWS_SCREEN關鍵字：
#pragma multi_compile _ SHADOWS_SCREEN
如果要想為第二個平行光，點光源，或者聚光燈（即add pass)添加陰影，則需要如下定義：
#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows
用Visual Studio可以看到具體的keywords：
// -----------------------------------------
// Snippet #1 platforms ffffffff:
Builtin keywords used: POINT DIRECTIONAL SPOT POINT_COOKIE DIRECTIONAL_COOKIE SHADOWS_SHADOWMASK LIGHTMAP_SHADOW_MIXING SHADOWS_DEPTH SHADOWS_SOFT SHADOWS_SCREEN SHADOWS_CUBE
13 keyword variants used in scene:
POINT
DIRECTIONAL
SPOT
POINT_COOKIE
DIRECTIONAL_COOKIE
SHADOWS_DEPTH SPOT
SHADOWS_DEPTH SHADOWS_SOFT SPOT
DIRECTIONAL SHADOWS_SCREEN
DIRECTIONAL_COOKIE SHADOWS_SCREEN
POINT SHADOWS_CUBE
POINT SHADOWS_CUBE SHADOWS_SOFT
POINT_COOKIE SHADOWS_CUBE
POINT_COOKIE SHADOWS_CUBE SHADOWS_SOFT
陰影設置參數
在Unity的project settings中的quality項，有如下的若干有關陰影的設置：
Shadows有3個選項，一是完全關閉陰影，二是只使用hard shadows，三是hard shadows和soft shadows都使用。使用軟陰影的好處是陰影的邊緣更加光滑，減少鋸齒。根據不同的選項，以平行光源為例，unity會在收集陰影階段使用不同的subshader繪制screen space shadow map：
Shadow Distance控制陰影顯示的距離，太遠的物體往往沒有顯示陰影的必要，通過控制距離可以降低繪制的draw call：
可以看出，超過陰影顯示距離的物體，在光源繪制shadow map時直接就跳過了。
Shadow Cascade控制是否開啟級聯陰影，以及級聯的數量和區域划分。級聯陰影的好處是可以根據物體距離的遠近，生成不同分辨率的shadow map，近的物體對高分辨率的shadow map進行采樣，得到更多的陰影的細節，遠的物體只用對低分辨率的shadow map采樣即可，避免不必要的性能浪費。不同分辨率的shadow map在陰影收集階段同樣會被繪制到一張screen space shadow map上，因此只是在光源空間渲染shadow map時，draw call會根據選擇級聯的數量翻倍：
Shadow Projection控制級聯陰影的區域生成方式。Close Fit利用攝像機的深度信息來計算區域，而Stable Fit利用到攝像機位置的距離信息來計算區域。在scene窗口下，可以選擇Miscellaneous / Shadow Cascades來顯示級聯陰影區域：
Stable Fit的區域通常更穩定，不會受攝像機自身的位置和旋轉影響：
Shadow Acne
由於shadow map的精度問題，shadow map上的一個pixel，實際上是對應了場景上的一片區域。而這片區域中的所有點，在shadow caster階段，都會去取shadow map同一個pixel的深度值，當這個深度值與區域中的所有點的深度值相近的時候，就會出現一部分點比較深度后，在陰影中，而另一部分點卻不在陰影中，導致場景中會出現明顯的明暗條紋：
從數學角度上來看，如圖所示：
EF為shadw map采樣的深度，那么CF區域中的點由於深度都小於EF，因此不在陰影中；而DF區域中的點深度大於EF，會被判定在陰影中。
為了解決這一問題，可以在渲染shadow map的時候人為加上偏移，讓陰影位於物體之后。這個偏移就被稱作shadow bias。
常用的shadow bias有兩種，depth bias和normal bias。depth bias顧名思義，就是在shadow caster階段，將物體沿着相機空間的z方向往后偏移：
可以看到，我們將CD區域沿着相機空間的z方向平移到了GI區域。此時shadow map采樣到的深度值為EH，它等於BD。這樣，CD區域中所有的點深度都不會大於EH（因為最大的深度也就是BD，而BD等於EH），從而保證了CD區域中的所有點都不會判定在陰影中，也就可以消除shadow acne。這里，depth bias的值就是CG的大小。
normal bias是在shadow caster階段，將物體沿着自身的法線方向往后偏移：
原理與depth bias類似，這里normal bias的值就是CG的大小。
shadow bias的參數可以在光源的屬性中進行調整：
Reference
[1] Shadows
[2] 自適應Shadow Bias算法
本文是Unity中的shadows系列的第一篇文章，如果你覺得我的文章有幫助，歡迎關注我的微信公眾號（大齡社畜的游戲開發之路）-
