翻译12 Unity 半透明阴影

支持镂空阴影
噪声
粗略的半透明阴影
镂空阴影和半透明阴影之间切换

使用Unity 5.6.6f1

1 镂空阴影

翻译11介绍了镂空渲染，可能也注意到了，物体的投射的阴影是物体本身的形状，跟镂空形状完全不一致。这是因为我们之前的Shader投射阴影只是简单的采样了光的方向和到达物体表面的距离，没有区分表面形状。

image

图1.1 不符合现实的半透明阴影


1.1 重写阴影

为了将透明度考虑在内，需要在阴影投射pass通道访问alpha值。这意味着我们要采样albedo纹理。然而，当仅用opaque渲染模式时就不需要采样，为此需要适配Shader变体。

现在的Shader已经集成了两个变体阴影，一是针对PointLight立方体阴影，二是针对其他类型灯光。现在增加第三个变体。改造一下之前的Shadow.cginc-略

1.2 裁剪阴影片段

就像渲染镂空效果时，阴影的镂空也根据alpha值来决定是否丢弃片段。因此算法上大致相似，必要变量也相似。拷贝tint、albedo、renderingsettings。

#include "UnityCG.cginc"

float4 _Tint;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST, _AlphaCutOff;

当使用Cutout渲染模式就需要采样albedo纹理，但是只有当不使用albedo纹理alpha值作为平滑度时才能这样做(之前是把albedo`s alpha作为了平滑值，避免冲突)。如果满足上述条件，就可把uv坐标传递给片元程序。

写一个宏_SHADOW_NEED_UV 

#if defined(_RENDERING_CUTOUT) && !defined(_SMOOTHNESS_ALBEDO)
    #define _SHADOW_NEED_UV 1
#endif
struct Interplotars {
    float4 position : SV_POSITION;
#if defined(_SHADOW_NEED_UV)
    float2 uv      : TEXCOORD0;
#endif
#if defined(SHADOWS_CUBE)
    float3 lightVec : TEXCOORD1;
#endif
};

实现宏_SHADOW_NEED_UV ，需要传递uv坐标时就采样

#if defined(_SHADOW_NEED_UV)
        i.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
#endif

拷贝GetAlpha函数，把厉害的宏替换为_SHADOW_NEED_UV

//采样alpha
float GetAlpha(Interpolators i) {
    float alpha = _Tint.a;
#if defined(_SHADOW_NEED_UV)
    alpha *= tex2D(_MainTex, i.uv.xy).a;
#endif
    return alpha;
}

现在可以在fragment程序中获取alpha值，然后在Cutout渲染模式下使用clip裁切。

    float alpha = GetAlpha(i);
#if defined(_RENDERING_CUTOUT)
    clip(alpha - _AlphaCutOff);
#endif

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图1.2 镂空阴影

2 局部阴影

为了同时支持Fade和Transparent渲染模式的阴影，必须将其关键字添加到shadowCaster通道的着色器钟并定义ShaderFeature。

#pragma shader_feature _ _RENDERING_CUTOUT _RENDERING_FADE _RENDERING_TRANSPARENT

在Fade和Transparent模式下阴影也应该是半透明的，定义宏SHADOWS_SEMITRANSPARENT

#if defined(_RENDERING_FADE) || defined(_RENDERING_TRANSPARENT)
    #define SHADOWS_SEMITRANSPARENT 1
#endif

再次调整Shadeow_need_uv

#if SHADOWS_SEMITRANSPARENT || defined(_RENDERING_CUTOUT)
    #if !defined(_SMOOTHNESS_ALBEDO)
        #define SHADOWS_NEED_UV 1
    #endif
#endif

这个时候由于是使用了Clip，还不能正确投射半透明阴影。继续！

2.1 抖动阴影

        阴影贴图包含了光线到表面的距离。光线阻挡结果信息存在阴影贴图，存储的结果是：0或1。因此是没有办法指定光被半透明表面部分阻挡。
        目前能做到的就是将阴影表面的一部分剪掉(镂空)。这就是为镂空阴影所做的。但是，除了基于阈值进行裁剪外，我们还可以裁剪片段。例如，如果一个表面让一半的光通过，并通过使用特定抖动纹理裁剪所有其他片段。就可以把生成的阴影显示为完整阴影的一半。
依靠纹理的alpha值，我们可以使用带有更多或更少孔的图案，就不会出现重复的模式。而且，如果我们混合使用这些模式，则可以对阴影的密度进行平滑过渡。基本上，我们仅使用两种状态来近似渐变。这种技术被称为抖动。
        Unity包含一个抖动模式图集，我们可以使用。它包含16种4×4像素的不同图案。它从一个完全空的模式开始。每个连续的模式填充一个额外的像素，直到有七个像素被填充。然后模式被反转和反转，直到所有像素都被填充。

2.2 VPOS

       要对我们的阴影应用抖动模式，我们必须对其进行采样。 不能使用网格的UV坐标，因为它们在阴影空间中不一致。 相反，我们需要使用片段的屏幕空间坐标。 阴影是从光的视角角度渲染贴图的，这会使图案与阴影贴图对齐。

        片段的屏幕空间坐标可以在片元程序中访问，方法是添加一个带有VPOS语义的参数。这些坐标不是由顶点程序显式输出的，但GPU可以程序用使用它们。

        然而不幸的是，VPOS和SV_POSITION语义，在一些平台上，它们最终可能会映射到相同的语义位置。所以我们不能同时在我们的结构体中使用它们。幸运的是，我们只需要在顶点程序中使用SV_POSITION，而VPOS只需要在fragment程序中使用。所以分别为Vertex和Fragment程序定义一个单独的结构体。

2.3 抖动处理

        要访问Unity的抖动模式纹理，需要增加变量_DitherMaskLOD，不同模式存储在3D纹理的不同layer中，必须使用sampler3D声明。

sampler3D _DitherMaskLOD;

        如果需要半透明阴影，就在片元程序采样该纹理。通过tex3D采样，参数是_DitherMaskLOD和一个3D坐标。由于该纹理有16种模式，模式选择由Z坐标决定，Z的范围是0-1。以0.0625增量步进。

#if SHADOWS_SEMITRANSPERANT
    tex3D(_DitherMaskLOD, float3(i.vpos.xy, 0.0625));
#endif

        采样该纹理的目的是取得改纹理的alpha通道，再使用它减去一个较小值，然后用clip裁剪掉

#if SHADOWS_SEMITRANSPERANT
    float dither = tex3D(_DitherMaskLOD, float3(i.vpos.xy, 0.0625)).a;
    clip(dither – 0.01);
#endif

        要真正看到该模式纹理显示，需要调整显示密度大小，这可以通过将纹理的坐标位置乘以0.01来实现的。聚光灯的阴影下观察它。Z值从0-1，纹理将从不渲染到完全渲染。

tex3D(_DitherMaskLOD, float3(i.vpos.xy * 0.1, 0.0625))

image image

图2.1 Dither抖动纹理 0.0625 vs. 0.9375

2.4 近似半透明

       根据tex3D采样函数，可知Z坐标值决定是否要渲染片元。那么只需将该片元的alpha值与最高LOD层级(15/16=0.9375)相乘，得出该片元alpha所在的LOD层级。

tex3D(_DitherMaskLOD, float3(i.vpos.xy * 0.1, alpha * 0.9375))

image

图2.2 近似模拟半透

        抖动纹理密度大小可以缩放VPOS指定的纹理坐标实现，Unity使用了0.25值来缩放。

tex3D(_DitherMaskLOD, float3(i.vpos.xy * 0.25, alpha * 0.9375))

image

图2.3 缩放后

         缩放后效果还行但不完美，这取决于抖动纹理的分辨率。越高的分辨率填充的越密集，效果越好。同时，抖动纹理在Hard和Soft阴影模式下的效果也不相同

image image

图2.4 soft vs. hard

        这个阴影模式在物体移动时有一个视觉错误，整个阴影都在动。密集恐惧。

dither_pattern

图2.5 抖动


3 组合剪影与淡出效果

        可能Dither模式太难堪了，我们可能既想要投射阴影，也要半透明的效果。这就可以组合Cutout与Fade渲染。在阴影pass中增加一个新的关键字：

_SEMITRANSPARENT_SHADOWS。若没有启用淡出半透阴影，回退到裁剪阴影。
#pragma shader_feature _ _SEMITRANSPARENT_SHADOWS

#if defined(_RENDERING_FADE) || defined(_RENDERING_TRANSPARENT)
    //#define SHADOWS_SEMITRANSPARENT 1
    #if _SEMITRANSPARENT_SHADOWS
        #define SHADOWS_SEMITRANSPARENT 1
    #elif         #define _RENDERING_CUTOUT
    #endif
#endif

       上面这段代码加入后，会自动切换为裁剪阴影。

3.1 启用自定义关键字

3.2 合并显示

        void DoSimetransparentShadow(RenderMode mode)
        {
            if (mode == RenderMode.Fade || mode == RenderMode.Transparent)
            {
                EditorGUI.BeginChangeCheck();
                bool enable = EditorGUILayout.Toggle
                (
                    new GUIContent("Semitransparent Shadow"),
                    IsKeyEnable("_SEMITRANSPARENT_SHADOWS")
                );
                if(!enable) isShowCutoffAlpha = true;
                if (EditorGUI.EndChangeCheck())
                {
                    SetKeyword("_SEMITRANSPARENT_SHADOWS", enable);
                }
            }
        }

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