第13课：阴影映射（Shadow Mapping）
教材对照：The Unity Shaders Bible 第八章 8.0.1 — 8.0.6
13.1 阴影映射的核心原理
13.1.1 视觉本质
在实时渲染中，阴影本质上是一个像素是否被光源”看到”的问题。 如果一个像素在光源的视角下是可见的，它就被照亮；如果被其他物体遮挡，它就处于阴影中。
阴影映射（Shadow Mapping）是 Lance Williams 在 1978 年提出的算法， 至今仍是实时渲染中最主流的阴影技术。其核心思想是两趟渲染（Two-Pass）：
- 第一趟：从光源视角渲染场景，只记录每个像素的深度值到一张纹理中——这张纹理就是阴影贴图（Shadow Map）
- 第二趟：从主摄像机视角渲染场景，将每个像素变换到光源视角，比较其深度与阴影贴图中存储的深度，判断该像素是否处于阴影中
通俗理解 想象光源是一个"手电筒"。手电筒发出的光被物体挡住的地方就是阴影。
阴影映射相当于在光源位置放一台摄像机，拍一张”深度照片”，然后从正常视角看场景时， 对于每个点，检查”光源的深度照片”里这个点是否被更近的物体挡住了。
13.1.2 正交投影 vs 透视投影
光源的投影类型决定了阴影贴图的性质：
| 光源类型 | 投影方式 | 阴影贴图性质 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 方向光（Directional Light） | 正交投影 | 平行投影，深度值均匀 | 太阳 |
| 点光源（Point Light） | 透视投影 | 需要 6 张贴图（立方体贴图） | 灯泡 |
| 聚光灯（Spot Light） | 透视投影 | 锥形投影，一张贴图 | 手电筒 |
13.2 Shadow Caster Pass（阴影投射通道）
在 Unity 的 Built-in RP 中，一个完整的阴影 Shader 需要包含两个 Pass：
- Shadow Caster Pass：负责生成阴影贴图（从光源视角渲染深度）
- 颜色 Pass：负责正常渲染 + 采样阴影贴图
13.2.1 最简单的 Shadow Caster
这个最简单的 Shadow Caster 已经可以工作了。但它没有考虑 法线偏移（Normal Bias） 等消除阴影锯齿的参数。
13.2.2 使用 Unity 宏优化
Unity 提供了三个宏方便地实现完整的 Shadow Caster：
宏的功能说明
V2F_SHADOW_CASTER：定义包含阴影计算所需的所有插值器（顶点位置、法线、切线、副切线）TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o)：变换顶点坐标 + 计算法线偏移SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i)：输出阴影颜色，处理平台差异#pragma multi_compile_shadowcaster：编译所有阴影相关的变体
13.3 阴影贴图纹理的生成
13.3.1 坐标变换：NDC 到 UV
在颜色 Pass 中，我们需要将主摄像机视角下的像素变换到光源的投影空间中， 采样阴影贴图来判断是否处于阴影中。
核心挑战：从 NDC（Normalized Device Coordinates）变换到 UV 坐标。
NDC → UV 变换
NDC 范围：[−1, 1]
UV 范围：[0, 1]
U = (NDC.x + 1) × 0.5
V = (NDC.y + 1) × 0.5
等价于：UV = (clipPos.xy / clipPos.w + 1) × 0.5
然而，实际实现时还需要考虑两个额外问题：
- 平台差异：OpenGL 和 Direct3D 的 UV 原点 Y 方向相反，需用
_ProjectionParams.x校正 - 半像素偏移（Half-Texel Offset）：在 D3D 9 等平台上需要微调 UV 以避免采样错误
13.3.2 完整的 NDCToUV 函数
13.4 在着色器中实现阴影
13.4.1 颜色 Pass 的 Vertex Shader
注意 _ShadowMapTexture 是 Unity 在运行时自动传入的，不需要在 Properties 中声明。
13.4.2 Fragment Shader 中的阴影采样
为什么是 Alpha 通道？ 阴影贴图本质上是一张灰度图——黑色表示阴影，白色表示光照。Alpha 通道的范围 [0, 1]
正好可以表示”阴影的程度”。0 = 完全阴影，1 = 完全照亮。
13.5 Unity Built-in RP 的阴影优化
上述手动实现虽然直观，但效率不高。Unity 提供了三个宏来优化阴影映射：
| 宏 | 功能 | 替代什么？ |
|---|---|---|
SHADOW_COORDS(n) | 在 v2f 中声明阴影坐标 | 手动声明 shadowCoord |
TRANSFER_SHADOW(o) | 在 Vertex Shader 中计算阴影 UV | NDCToUV 函数 |
SHADOW_ATTENUATION(i) | 在 Fragment Shader 中返回阴影值 | tex2D(_ShadowMapTexture, …) |
13.5.1 使用宏的优化版本
注意事项 使用这些宏时，输入/输出变量名必须遵循约定：
- appdata 中的 UV 必须命名为
texcoord（而非uv）- v2f 中的顶点位置必须命名为
pos（而非vertex）- 必须
#include "AutoLight.cginc"- 必须
#pragma multi_compile_fwdbase如果不遵守，宏内部无法正确解析变量名，导致编译错误。
13.6 Universal RP 中的阴影映射
在 Universal Render Pipeline（URP） 中实现阴影需要使用 HLSL 文件和不同的依赖库。 URP 使用 SRP（Scriptable Render Pipeline） 的方式管理阴影。
13.6.1 URP Shadow Mapping 的依赖
13.6.2 URP 的关键函数
Built-in RP vs URP 关键差异
- Built-in RP 使用 CGPROGRAM / ENDCG + UnityCG.cginc / AutoLight.cginc
- URP 使用 HLSLPROGRAM / ENDHLSL + Core.hlsl / Lighting.hlsl
- URP 中使用
TransformObjectToHClip而非UnityObjectToClipPos- URP 使用
GetMainLight(shadowCoord)获取包含阴影衰减的光照数据- URP 可以通过
UsePass "Universal Render Pipeline/Lit/ShadowCaster"复用内置的 Shadow Caster
13.7 阴影的通用原理
Note
阴影映射（Shadow Mapping）的核心思想在所有引擎和框架中是一致的：
- 两趟渲染：光源视角 → 深度贴图，主视角 → 比较深度
- 深度比较：比较像素在光源空间的深度与阴影贴图中的最近深度
- 坐标变换：从主相机视角到光源投影的坐标变换 差异仅在于 API 名称和实现细节：
- OpenGL / Direct3D：阴影贴图作为深度纹理（GL_TEXTURE_2D / ID3D11DepthStencilView）
- Unreal Engine：使用 Shadow Map 或 Signed Distance Field Shadow
- Godot：内置阴影映射，支持 PCF（Percentage Closer Filtering）软阴影
- Three.js：DirectionalLight 和 SpotLight 自动生成 Shadow Map
13.7.1 常见阴影问题
| 问题 | 现象 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|---|
| 阴影锯齿（Aliasing） | 阴影边缘呈锯齿状 | 阴影贴图分辨率不足 | 提高分辨率、使用 PCF 软阴影 |
| 阴影偏移错误（Shadow Acne） | 表面出现条带状亮暗交替 | 深度比较时的浮点精度误差 | 添加深度偏移（Bias） |
| 彼得潘现象（Peter Panning） | 阴影脱离物体（“飘”起来） | 深度偏移过大 | 使用法线偏移（Normal Bias） |
| 硬阴影 | 阴影边界过分锐利 | 没有软阴影处理 | PCF / VSM / ESM 等软阴影技术 |
练习与回顾
- 原理推导：请解释为什么 Shadow Mapping 需要两趟渲染？能否用一趟完成？
- 数学分析：NDCToUV 函数中，为什么需要乘以
_ProjectionParams.x？在 OpenGL 和 Direct3D 中这个值分别是多少？ - 代码比较：对比 Built-in RP 和 URP 中阴影实现的差异。如果要在两个管线之间移植一个带阴影的 Shader，需要修改哪些部分？
- 问题诊断：如果你在场景中看到物体表面出现条纹状闪烁，你认为是什么问题？如何验证和修复？
- 设计思考：方向光使用正交投影生成阴影贴图，点光源需要立方体阴影贴图。两者在实现上有何本质不同？
- 扩展研究：了解 PCF（Percentage Closer Filtering）的工作原理。它与简单的阴影贴图采样有何不同？为什么能做到软阴影效果？
教材对照：The Unity Shaders Bible Chapter II, Section 8.0.1—8.0.6 (Pages 251-276)