基础渲染系列（十二）——半透明阴影

本文重点：

支持cutout阴影 使用抖动 近似半透明名阴影 半透明和cutout阴影之间切换

这是关于渲染的系列教程的第12部分。在上一部分中，我们实现啦渲染半透明表面，但是尚未覆盖它们的阴影。现在，我们来解决这个问题。

本教程是使用Unity 5.5.0f3制作。

（当一个物体Fade的时候，它们的阴影也是）

1 Cutout阴影

当前，我们的透明材质的阴影始终像不透明物体一样被投射，因为这就是我们的着色器所假定的。结果，阴影可能看起来很奇怪，因为实际上你看到是不透明对象的阴影。在定向阴影的情况下，这也可能导致不可见的几何形状阻塞阴影。

（不透明和cutout渲染模式 相同的阴影）

聚光灯或点光源阴影的情况下，也仅获得纯色阴影。

（纯色聚光灯阴影）

1.1 重构My Shadow

为了考虑透明度，我们需要访问阴影投射器着色器通道中的alpha值。这意味着我们需要对反照率纹理进行采样。但是，使用不透明渲染模式时不需要这样做。因此，我们的阴影将需要多个着色器变体。

之前，我们有两个版本的阴影程序。一个版本的立方体阴影贴图是点光源所必需的，而另一个版本是其他光源类型。现在，我们需要混合更多的变体。为了简化操作，我们重写“My Shadow ”包含文件。对所有变体使用插值器，并创建一个顶点和片段程序。

首先，将插值器的定义移出条件块。然后将光向量设置为有条件的。

接下来，编写一个新的顶点程序，其中包含两个不同版本的副本。必须对非立方体代码进行一些调整，以与新的插值器输出配合使用。

对片段程序执行相同的操作。然后注释旧的条件程序。

1.2 剪辑阴影片段

首先要处理cutout阴影。通过丢弃片段来在阴影中切出洞，就像在其他渲染过程中对Cutout渲染模式所做的那样。为此，我们需要材质的色调，反照率纹理和Alpha Cut设置。将它们的变量添加到“My Shadow”的顶部。

当我们使用Cutout渲染模式时，必须对反照率纹理进行采样。实际上，只有在不使用反照率的Alpha值确定平滑度时，才必须这样做。当满足这些条件时，我们需要将UV坐标传递给片段程序。满足这些条件时，将SHADOWS_NEED_UV定义为1。这样，我们可以方便地使用#if SHADOWS_NEED_UV。

将UV坐标添加到顶点输入数据。我们不需要将此作为条件。然后有条件地将UV添加到插值器。

必要时，将UV坐标传递到顶点程序中的插值器中。

将GetAlpha方法从“My Lighting”复制到“My Shadow”。在此，是否对纹理进行采样必须取决于SHADOWS_NEED_UV。因此，请检查该内容，而不是是否定义了_SMOOTHNESS_ALBEDO。下面代码中我标记了差异。

现在，我们可以在片段程序中检索alpha值，并在Cutout渲染模式下使用它进行Clip。

为了使它真正起作用，请将_RENDERING_CUTOUT和_SMOOTHNESS_ALBEDO的着色器功能添加到“My First Lighting Shader”的阴影投射器通道中。

（Cutout 阴影，定向和聚光灯）

1.3 重构 My Lighting

在继续之前，我们还要稍微调整一下“My Lighting”。注意我们如何使用UnityObjectToClipPos转换“My Shadows”中的顶点位置。我们也可以在“My Lighting”中使用此功能，而不用自己执行矩阵乘法。UnityObjectToClipPos函数也执行此乘法，但是使用常数1作为第四个位置坐标，而不是依赖于网格数据。

通过网格提供的数据始终为1，但着色器编译器不知道这一点。结果，肯定是使用常数更为有效。从5.6版开始，当对UNITY_MATRIX_MVP使用未经优化的乘法时，Unity将发出性能警告。

2 局部阴影

为了同时支持“Fade”和“Transprant”渲染模式的阴影，需要将其关键字添加到阴影或阴影投射器通道的着色器功能中。像其他pass一样，渲染功能现在具有四个可能的状态。

这两种模式是半透明的，而不是cutoff。因此，它们的阴影也应该是半透明的。在这种情况下，让我们在“My Shadows”中定义一个方便的SHADOWS_SEMITRANSPARENT宏。

现在需要调整SHADOWS_NEED_UV的定义，因此在半透明阴影的情况下也可以定义它。

2.1 抖动

阴影贴图包含到阻挡光线的表面的距离。光线被阻挡了一定距离，或者没有被阻挡。因此，没有办法指定光被半透明表面部分阻挡。

我们能做的就是将阴影表面的一部分剪掉。这也是我们为cutoff阴影所做的。但是，除了基于阈值进行裁剪外，我们还可以统一裁剪片段。例如，如果一个表面让一半的光通过。总而言之，生成的阴影将显示为完整阴影的一半。

不必总是使用相同的模式。依靠alpha值，我们可以使用带有更多或更少孔的图案。而且，如果我们混合这些模式，则可以创建阴影密度的平滑过渡。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（Dither）。

Unity包含我们可以使用的抖动模式图集。它包含4 x 4像素的16种不同图案。它以完全空的模式开始。每个连续的图案填充一个附加像素，直到填充了七个像素。然后反转，直到所有像素都被填充。

（Unity使用的抖动图案）

2.2 VPOS

要对我们的阴影应用抖动模式，我们需要对其进行采样。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。从光的角度渲染阴影贴图时，这会使图案与阴影贴图对齐。

通过在片段程序中添加带有VPOS语义的参数，可以访问片段的屏幕空间位置。这些坐标不是由顶点程序显式输出的，但是GPU可以使它们可供我们使用。

遗憾的是，VPOS和SV_POSITION语义不能很好地发挥作用。在某些平台上，它们最终映射到相同的位置语义上。因此，我们不能在Interpolators结构中同时使用两者。但幸运的是，我们只需要在顶点程序中使用SV_POSITION，而在片段程序中仅需要VPOS。因此，可以为每个程序使用单独的结构。

首先，将Interpolators重命名为InterpolatorsVertex并相应地调整MyShadowVertexProgram。不要调整MyShadowFragmentProgram。

然后创建一个新的Interpolators结构以用于片段程序。它是其他结构的副本，不同之处在于当需要半透明阴影时，它应包含UNITY_VPOS_TYPE vpos：VPOS而不是float4 position：SV_POSITION。HLSLSupport中定义了UNITY_VPOS_TYPE宏。它通常是float4，但Direct3D 9除外，后者需要将其设置为float2。

我们在片段程序中是否需要位置？

顶点程序需要输出其变换后的位置，但是我们不必在片段程序中访问它。因此，从技术上讲，我们可以将其排除在结构之外。但是，由于该结构的所有其他字段都是有条件的，因此可能会导致一个空结构。编译器不能总是处理这些错误，因此我们将位置保留在其中以防止发生错误。

2.3 抖动中

要访问Unity的抖动模式纹理，请将_DitherMaskLOD变量添加到“My Shadows”中。不同的图案存储在3D纹理的图层中，因此其类型必须是sampler3D而不是sampler2D。

如果需要半透明阴影，请在MyShadowFragmentProgram中对此纹理进行采样。这是通过tex3D函数完成的，该函数需要3D坐标。第三个坐标应在0–1范围内，并用于选择3D切片。因为有16个图案，所以第一个图案的Z坐标为0，第二个图案的坐标为0.0625，第三个为0.128，依此类推。让我们从始终选择第二种模式开始。

当应丢弃片段时，抖动纹理的Alpha通道为零。因此，从中减去一个较小的值，然后使用该值进行裁剪。

要实际看到它，我们必须对其进行缩放。为了使外观更好看，请将其放大100倍，方法是将位置乘以0.01。聚光灯下的阴影使我们可以很好地对其进行观察。

（fade模式下 统一的抖动）

可以通过以0.0625为步长增加Z坐标来检查所有16种抖动模式。阴影被完全裁剪为0，并在0.9375处完全渲染。

（改变抖动模式）

2.4 近似半透明

代替使用统一的图案，我们必须基于表面的alpha值来选择抖动图案。当完全不透明度达到0.9375时，将alpha值乘以该因子，然后将其用作Z坐标。

（基于alpha的抖动）

现在，抖动根据表面的不透明度而变化。为了使其看起来更像是真实的阴影，我们需要缩小图案大小。Unity使用系数0.25，因此我们也将使用它。

（缩放抖动）

这看起来好多了，但并不完美。抖动的明显程度取决于阴影图的分辨率。分辨率越高，图案越小且不那么明显。

抖动对于柔和的定向阴影效果更好。屏幕空间过滤将抖动的片段弄脏到不再明显的程度。结果是逼近实际的半透明阴影。

（带有抖动的方向阴影 硬VS软）

不幸的是，抖动在视觉上不稳定。当物体移动时，你会获得非常明显的影子游泳。不仅沿着边缘，而且跨越整个阴影！

（抖动 游泳）

如何在半透明的表面上接收阴影呢？

Unity不支持在半透明表面上投射阴影。因此，使用“Fade”或“Transparent”渲染模式的材质将不会接收阴影。但cutoff效果很好。

3 优化半透明阴影

考虑到半透明阴影的局限性，你可以不使用它们。通过其“Mesh Renderer”组件的“Cast Shadows”模式完全禁用对象的阴影。但是，对于半透明的对象来说，cutout阴影可能效果很好。例如，当其表面的很大一部分完全不透明时。因此，让我们可以在两种类型的阴影之间进行选择。

为了支持此选择，请将阴影功能添加到新的关键字_SEMITRANSPARENT_SHADOWS的阴影投射过程中。

在“My Shadows”中，仅当设置了_SEMITRANSPARENT_SHADOWS着色器关键字时，才定义SHADOWS_SEMITRANSPARENT。

如果未启用新的着色器功能，那么我们应该后退至cutout阴影。我们可以通过手动定义_RENDERING_CUTOUT来实现。

因为尚未启用新的着色器功能，所以现在在使用“Fade”或“Transparent”渲染模式时会得到cutout阴影。

（带有cutout阴影的 Fade模式）

3.1 半透明 可切换化

要再次启用半透明阴影，我们必须为其添加一个选项到我们的自定义着色器UI中。因此，向MyLightingShaderGUI中添加DoSemitransparentShadows方法。

仅在使用Fade或Transparent模式时才需要显示此选项。我们知道在DoRenderingMode内部使用哪种模式。因此，如果需要，请在此方法的末尾调用DoSemitransparentShadows。

由于这是一个二进制选择，因此我们可以使用切换按钮来表示它。因为标签Semitransparent Shadows的宽度比Unity默认检查器窗口的宽度宽，所以我将其缩写。为了清楚起见，我给它提供了一个简短的工具提示。

（半透明阴影复选框）

与其他关键字一样，检查用户是否进行更改并相应地设置关键字。

3.2 为阴影显示 Alpha Cutoff

使用Cutoff阴影时，我们可能想更改Alpha抠像阈值。当前，它仅在使用Cutout渲染模式时显示在我们的UI中。但是，当不使用半透明阴影时，现在还必须在“Fade”和“Transparent”模式下可以访问它。通过在适当的时候在DoSemitransparentShadows中将shouldShowAlphaCutoff设置为true来支持这一点。

（当需要的时候Alpha cutoff会出现）

下一章：延迟着色。