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Unity3D 屏幕空间阴影的简单优化详解

news 来源：原创 2024/9/19 9:53:43

在Unity3D中，阴影是提升场景真实感的重要元素之一。然而，传统的阴影映射技术（Shadow Mapping）可能会因为计算量大而导致性能问题。屏幕空间阴影（Screen Space Shadows, SSS）技术提供了一种更高效的阴影生成方式，特别是在现代图形硬件上。本文将详细介绍屏幕空间阴影的基本原理、优化方法以及代码实现。

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屏幕空间阴影的基本原理

屏幕空间阴影技术主要基于以下步骤实现：

从摄像机角度生成深度图：首先，从当前摄像机的视角生成一张深度图（Depth Map），这张图记录了场景中每个像素点到摄像机的距离。
从光源角度生成深度图：然后，从光源的视角生成另一张深度图，这张图被称为光源的Shadow Map，它记录了从光源处看到的场景中每个点的深度。
阴影收集：在屏幕空间进行阴影收集计算，即将每个像素根据其在摄像机深度图中的深度值转换到世界空间，再转换到光源空间，并与光源的Shadow Map中的深度值进行比较。如果像素在光源的视线中被遮挡，则判定该像素处于阴影中。
渲染阴影：最后，在渲染物体时，使用屏幕空间阴影图（Screen Space Shadow Map, SSSM）来计算阴影效果，并应用到物体上。

优化方法

1. 减少采样次数

屏幕空间阴影的一个常见问题是锯齿效应（Aliasing），这通常是由于采样不足导致的。减少采样次数可以提高性能，但可能会增加锯齿效应。一种优化方法是使用更高效的采样算法，如百分比更近过滤（Percentage Closer Filtering, PCF）或变体算法。

2. 深度图分辨率调整

调整深度图的分辨率可以在性能和阴影质量之间找到平衡。较低的分辨率可以减少内存占用和提高渲染速度，但可能会降低阴影的清晰度。在Unity中，可以通过调整相机的近裁剪平面和远裁剪平面来控制深度图的精度。

3. 阴影贴图压缩

使用合适的纹理压缩格式可以减少阴影贴图的内存占用和带宽需求，从而提高性能。Unity支持多种纹理压缩格式，如DXT、PVRTC等。

4. 实时调整阴影质量

根据游戏或应用的当前性能状况，实时调整阴影质量。例如，在性能较低的设备上，可以减少阴影的分辨率或禁用某些光源的阴影投射。

代码实现

以下是一个简单的Unity Shader代码示例，用于生成屏幕空间阴影图：

	Shader "Custom/ScreenSpaceShadows"
	{
	Properties
	{
	_CameraDepthTex ("Camera Depth Texture", 2D) = "white" {}
	_LightDepthTex ("Light Depth Texture", 2D) = "white" {}
	}
	SubShader
	{
	Tags { "RenderType"="Opaque" }
	LOD 100

	Pass
	{
	CGPROGRAM
	#pragma vertex vert
	#pragma fragment frag

	#include "UnityCG.cginc"

	struct appdata
	{
	float4 vertex : POSITION;
	float2 uv : TEXCOORD0;
	};

	struct v2f
	{
	float2 uv : TEXCOORD0;
	float4 vertex : SV_POSITION;
	};

	sampler2D _CameraDepthTex;
	sampler2D _LightDepthTex;

	v2f vert (appdata v)
	{
	v2f o;
	o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
	o.uv = v.uv;
	return o;
	}

	fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
	{
	// 采样摄像机深度图和光源深度图
	float cameraDepth = tex2D(_CameraDepthTex, i.uv).r;
	float lightDepth = tex2D(_LightDepthTex, i.uv).r;

	// 重建世界坐标（此处简化处理）
	// 假设已有从深度值到世界坐标的转换函数 WorldPosFromDepth
	float3 worldPos = WorldPosFromDepth(cameraDepth, i.uv);

	// 转换到光源空间（假设已有转换矩阵）
	float4 shadowCoord = mul(UNITY_MATRIX_M_VP, float4(worldPos, 1.0));
	shadowCoord.xyz /= shadowCoord.w;

	// 阴影判断（简化处理）
	float shadow = step(shadowCoord.z, lightDepth);

	// 返回阴影结果
	return fixed4(shadow, shadow,