代码部分为Unity实现屏幕空间的实时阴影
学习教程来自:【技术美术百人计划】图形 4.3 实时阴影介绍

笔记

1. 基于图片的实时阴影技术

主流方法之一，把阴影生成为一张图片

1.1 平面投影阴影

将阴影投影在一个平面上。
缺点：必须是平面，产生阴影的物体必须介于光和平面之间
为了解决上一个方法的缺点之一（只能在平面上产生阴影）。
步骤简述：为物体多设置一个相机产生阴影纹理，与被阴影覆盖的表面的纹理进行混合得到阴影效果，在Unity中使用Projector组件实现

1.2 阴影映射（Shadow Map）

概念：从光源的位置和角度获取的深度图
核心思想：对比Shadow Map和摄像机视角的深度图，片元在Shadow Map中的值小于后者时，产生阴影

1.3 屏幕空间阴影映射

Unity中的阴影映射实现（即屏幕空间的阴影映射）

步骤：

1. 屏幕空间的深度贴图

2. 光源方向的Shadow Map

   
   

3. 屏幕空间下进行对1、2的结果进行计算得到屏幕空间的阴影纹理

4. 绘制3中的结果

2. 阴影映射的优化

2.1 自阴影问题

也叫Z-Fighting、阴影瑕疵、阴影粉刺（Surface Acne），由于阴影贴图分辨率（其分辨率低，但是相机得到的深度图分辨率高）、离散采样、数值精度等问题产生的错误的自阴影
解决办法：

1. 深度偏移（Depth Bias）：设置一个差值的阈值，减少阴影的产生。太大会导致Peter Panning（阴影与投影者脱节）
2. 法线偏移（Normal Bias）：上一条中的方向为视角方向，本方法在法线方向上偏移
   补充：偏移单位为纹素（1/分辨率），只在阴影深度测试时使用，不影响其他效果

   2.2 走样问题

   由于采样产生

   2.2.1 透视走样

   
   

Shadow Map本身大小均匀，但透视投影完成后采样变得不均匀，由此产生了走样（距离观察者近的元素产生走样）
解决：

1. 在Shadow Map生成时进行透视投影，以保持均匀性的一致
2. 级联阴影映射（Unity的解决办法）：划分视锥体，得到相同大小的Shadow Map（近处的质量更高）
   
   

我猜这也是为什么上边1.3中的Shadow Map有4个

2.2.2 重采样

采样贴图时产生的误差
解决：滤波（PCF滤波），对滤波核的每一个采样点，对比中间的值后划分为blocked和visible这2种状态，输出shadow=visible/(visible+blocked)。实现方式有很多种（不同的采样个数、不同的滤波函数）

作业

1. 总结实时阴影系统的优化方案

内容来自以上笔记：

2. 自己实现阴影系统

Tips：可以把模型的背面渲染出来作为阴影的一个Pass，来优化和避免一些问题 //TODO:
做这个是四处看代码，左抄点，又抄点，混一起成了。
参考来源：
Unity的实时阴影-ShadowMap实现原理：粘了不好使（盲猜shadowmap的矩阵转换不对），但学到大概知道要这么2个shader，一个脚本
Unity基础6 Shadow Map 阴影实现：对着上边的代码看了一下每一步大概的实现
Unity实时阴影实现——Shadow Mapping：然后看到这篇，比较接近能直接来拿粘贴的程度了，但还差点，大概是在update里调用一下函数，先调哪个后调那个不太确定。
上一条作者的github：完结，里边有一个老一点版本的shadowmap实现（对应PPT，1个shadowMap的Shader，1个屏幕空间深度的Shader，1个比较这2个深度图并计算阴影的Shader），现在对着上边的文章改成在接收阴影的材质shader中比较深度计算阴影，完成实现（2个shader，1个计算shadowMap，1个计算阴影）
总结一下实现过程，好像和上边PPT讲的不太一样：

1. 从光源方向创建相机，渲染深度图的得到shadowMap
2. 保存一个变换矩阵_gWorldToShadow，将阴影接收者的世界空间坐标转换到shadowMap对应的空间中（和PPT中不同，这里在shadowMap对应的空间下做collector计算，而不是将shadowMap转换到屏幕空间）
3. 转换后的坐标，xy值作为UV采样shadowmap得到sampleDepth，z作为深度depth（这些值都经过了一些处理达到0-1），这里的depth并不是渲染深度得到的，而是一个位置信息，如果大于shadowMap采样的值，证明被挡住了，应该有阴影产生
4. 用sampleDepth和depth计算得到阴影（sampleDepth可以for循环多采样几次计算模糊）
   比较关键的地方就是把接收者的顶点位置转换到shadowMap对应的空间下（xy值作为UV采样shadowmap得到sampleDepth，z作为深度depth）

v2f vert (appdata_full v) 
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex);
    float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
    o.shadowCoord = mul(_gWorldToShadow, worldPos);//转换到shadowMap对应的空间

    return o; 
}

fixed4 frag (v2f i) : COLOR0 
{            
    // shadow
    i.shadowCoord.xy = i.shadowCoord.xy/i.shadowCoord.w;
    float2 uv = i.shadowCoord.xy;
    uv = uv*0.5 + 0.5; //(-1, 1)-->(0, 1)

    float depth = i.shadowCoord.z / i.shadowCoord.w;
    #if defined (SHADER_TARGET_GLSL)
    depth = depth*0.5 + 0.5; //(-1, 1)-->(0, 1)
    #elif defined (UNITY_REVERSED_Z)
    depth = 1 - depth;       //(1, 0)-->(0, 1)
    #endif

    // sample depth texture
    // 模糊前
    //float4 col = tex2D(_gShadowMapTexture, uv);
    //float sampleDepth = DecodeFloatRGBA(col);
    //float shadow = sampleDepth < depth ? _gShadowStrength : 1;
    // 模糊后
    float shadow = PCFSample(depth, uv);

    return shadow;
}

上图：

刚开始有个小问题：之前建模的钢铁侠面罩模型只有一个面，没有封口，就是背面是透的，结果来到这里正面面对阳光的时候，竟然没有阴影，开了framedebug，原来是cull front去掉了正面。如图

注释掉好了，看来这个就是开头说的直接用背面作为渲染阴影的Pass了，这样做的好处猜测应该是，反正shadowMap空间下正面和背面一定会相互遮挡，不如只考虑一个面，而背面的复杂度应该又比正面低一点，所以这样是效率比较高的

最后是边缘模糊PCF Soft Shadow(Percentage Closer Filtering)，代码也来自上边知乎大佬的帖子，原理就是对ShadowMap围绕着中心点采样了9次，每次都和中心点的depth比较后累加，再除9

float PCFSample(float depth, float2 uv)
{
    float shadow = 0.0;
    for (int x = -1; x <= 1; ++x)
    {
        for (int y = -1; y <= 1; ++y)
        {
            float4 col = tex2D(_gShadowMapTexture, uv + float2(x, y) * _gShadowMapTexture_TexelSize.xy);
            float sampleDepth = DecodeFloatRGBA(col);
            shadow += sampleDepth < depth ? _gShadowStrength : 1;//每一个采样点都与深度值相比较，累加
        }
    }
    return shadow /= 9;
}

最后，这些代码也上传git了，感兴趣的可以拉下来看看（本篇内容在/Scene/4300）
git地址