Unity中Shader的模型网格阴影

楠溪泽岸2023-10-26 23:49

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前言

Unity中Shader的模型网格阴影,一般用于 低配设置 情况下模拟影子的样子，节省性能。（适用于地面比较平缓的游戏）

一、网格阴影原理

1、在世界空间下，把角色模型在Y轴上压缩成一个面片，把修改成像影子的颜色

2、把压缩后的面片，移动到合适的位置，把模型和阴影面片错开

3、实现距离脚进的阴影偏移少，距离脚远的阴影偏移多

二、网格阴影的优缺点

优点：

1.实现简单

2.效果实时，清晰

缺点：

1.需要两个Pass来渲染

2.在地面起伏较大时，容易穿帮

三、模型网格阴影的实现

我们继续使用上一篇文章中的Shader来进行测试

我们在中配的Shader中，实现网格阴影

需要两个Pass,一个Pass实现基本的渲染，另一个Pass实现模型网格阴影

1、在 LOD 400 的 SubShader 的第一个 Pass 中，我们只保留最基础的模型渲染效果

Pass
        {
            //Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
            
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            //#pragma multi_compile_fwdbase
            //剔除无用的变体
            //#pragma skip_variants DIRLIGHTMAP_COMBINED DYNAMICLIGHTMAP_ON LIGHTMAP_ON LIGHTMAP_SHADOW_MIXING LIGHTPROBE_SH SHADOWS_SHADOWMASK VERTEXLIGHT_ON
            //自己定义，阴影需要使用的变体
            
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"
            
            sampler2D _MainTex;
            float _Clip;
            sampler2D _DissolveTex; 
            //这个四维向量，xyzw分别表示 Tilling 和 Offset 的 xy ,命名方式 在纹理名 后加 _ST
            float4 _DissolveTex_ST;


            //因为 在使用渐变纹理时，只使用了 渐变纹理的 u 坐标，所以把  sampler2D 换为 sampler
            sampler _RampTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float4 uv : TEXCOORD0;
            };
            
            
            struct v2f
            {
                float4 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                
                float4 worldPos :TEXCOORD1;
            };
            
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                //为了减少传入的值 ，所以就不创建新变量来存储，而是把 uv 改为  四维向量 来用
                //使用 o.uv 的 xy 来存放 原人物贴图
                //使用 o.uv 的 zw 来存放 噪波贴图缩放 和 偏移 后的值
                o.uv.xy = v.uv.xy;
                //o.uv.zw = v.uv * _DissolveTex_ST.xy + _DissolveTex_ST.zw;
                o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv,_DissolveTex);

                TRANSFER_SHADOW(o)
                //把顶点转化到世界空间下
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
                
                return o;
            }
            
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
                
                //外部获取的 纹理 ，使用前都需要采样
                fixed4 dissolveTex = tex2D(_DissolveTex,i.uv.zw);
                
                //片段的取舍
                clip(dissolveTex.r -  _Clip);

                //进行归一化
                fixed4 dissolveValue = saturate((dissolveTex.r - _Clip) / (_Clip + 0.1 - _Clip));

                fixed4 rampTex = tex1D(_RampTex,dissolveValue.r);

                //col += rampTex;
                return col;
            }
            ENDCG
        }

2、然后继续加一个Pass，用来实现模型网格阴影

  1. 因为我们需要修改的东西，只跟顶点有关，所以在应用程序传入 和 顶点传入片元 时，只用传入顶点信息即可

struct appdata

{

float4 vertex : POSITION;

};

struct v2f

{

float4 pos : SV_POSITION;

};

  1. 把模型压缩成一个面（为了防止面片角度乱动，所以需要转化到世界空间下来压缩）

  2. 压缩的时候，修改世界空间下的 y 值即可

  3. 把顶点信息从 世界空间 下转化到裁剪空间，使用 UNITY_MATRIX_VP

v2f vert(appdata v)

{

v2f o;

//在世界空间下 压缩模型顶点，防止压缩后角度乱动

float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);

worldPos.y = 0.001;

//转化为裁剪空间内的坐标，转化时使用 UNITY_MATRIX_VP 从世界空间转化到 裁剪空间

o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP,worldPos);

return o;

}

  1. 因为角色脚的位置不是一成不变的，所以需要定义变量用来接受角色实时的 脚的位置

_Shadow("Shadow",Float) = 0.001 用该值来替代 上面的 0.001

替代后效果（可以修改影子生成的位置了）：

  1. 给世界空间下的 xz 值加减值，实现阴影的偏移

worldPos.xz += float2(-1,2);

  1. 在偏移后，发现偏移值并没有离脚近偏移少，离脚远，偏移多

实现该效果，只需要让加减的偏移值乘以角色以脚为坐标原点的 y 值即可
但是，我们的模型原点是在模型中央的，那么要获取从脚为坐标原点的 y 值
只需要使用角色的 y 值 减去 之前影子所在的 y 值即可

worldPos.xz += float2(-1,2) * (worldPosY - _Shadow);

实现后效果：

  1. 实现以上效果后，我们的影子角度也是需要修改的，所以把之前 定义的阴影位置的变量改为四维向量，xz 控制影子偏移角度，y 控制影子位置，z 控制影子透明度

（使用四维向量的原因，节省性能。要让影子透明需要修改混合模式后才看得到效果）

属性栏中：

_Shadow("Offset(XZ) Height(Y) Alpha(W)",Vector) = (-1,0.001,1,0)

SubShader中：

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

顶点着色器 和 片元着色器中：

v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                //在世界空间下 压缩模型顶点后，防止压缩后角度乱动
                float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);

                float worldPosY = worldPos.y;
                    
                worldPos.y = _Shadow.y;
                worldPos.xz += _Shadow.xz * (worldPosY - _Shadow.y);
                //转化为裁剪空间内的坐标，转化时使用 UNITY_MATRIX_VP 从世界空间转化到 裁剪空间
                o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP,worldPos);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = 0;

                col.a = _Shadow.w;
                
                return col;
                
            }

修改后效果：

但是，我们会发现 使影子变透明后，压缩后的模型会出现 模型另一面的效果，这个情况，和之前模板测试时一模一样，使用模板测试就可解决

//使用模板测试 让 透明后的模型别看见后面的效果(对比后，不等于的直接替换)

Stencil

{

//这个值，目前是随便取的

Ref 100

//不等于上面的值的话

Comp NotEqual

//替代

Pass Replace

}

最终代码：

//网格阴影原理
Shader "MyShader/P1_7_6"
{
    Properties
    {
        [Enum(Off,0,On,1)]_ZWrite("ZWrite",int) = 0
        [Enum(UnityEngine.Rendering.CompareFunction)]_ZTest("ZTest",int) = 0
        //使用这个标签，可以使外部暴露属性，有标题
        [Header(Base)]
        [NoScaleOffset]_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Clip("Clip",Range(0,1)) = 0
        //使用这个标签可以 在两行暴露属性之间加 间隙
        [Space(10)]
        [Header(Dissolve)]
        _DissolveTex("DissolveTex",2D) = "black"{}

        [NoScaleOffset]_RampTex("RampTex(RGB)",2D) = "black" {}
        
        [Header(Shadow)]
        _Shadow("Offset(XZ) Height(Y) Alpha(W)",Vector) = (-1,0.001,1,0)
        
    }
    SubShader
    {
        Tags{"Queue" = "Geometry"}
        LOD 600
        
        Blend Off
        Cull Back
        /*ZWrite [_ZWrite]
        
        ZTest [_ZTest]*/
        
        Offset -1,-1
        
        UsePass "MyShader/P1_6_4/XRay"
        
        Pass
        {
            //Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
            
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            //#pragma multi_compile_fwdbase
            //剔除无用的变体
            //#pragma skip_variants DIRLIGHTMAP_COMBINED DYNAMICLIGHTMAP_ON LIGHTMAP_ON LIGHTMAP_SHADOW_MIXING LIGHTPROBE_SH SHADOWS_SHADOWMASK VERTEXLIGHT_ON
            //自己定义，阴影需要使用的变体
            #pragma multi_compile DIRECTIONAL SHADOWS_SCREEN
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"
            
            sampler2D _MainTex;
            float _Clip;
            sampler2D _DissolveTex; 
            //这个四维向量，xyzw分别表示 Tilling 和 Offset 的 xy ,命名方式 在纹理名 后加 _ST
            float4 _DissolveTex_ST;


            //因为 在使用渐变纹理时，只使用了 渐变纹理的 u 坐标，所以把  sampler2D 换为 sampler
            sampler _RampTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float4 uv : TEXCOORD0;
            };
            
            //1.在v2f中添加UNITY_SHADOW_COORDS(idx),unity会自动声明一个叫_ShadowCoord的float4变量，用作阴影的采样坐标.
            struct v2f
            {
                float4 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                UNITY_SHADOW_COORDS(1)
                float4 worldPos :TEXCOORD2;
            };
            //2.在顶点着色器中添加TRANSFER_SHADOW(o)，用于将上面定义的_ShadowCoord纹理采样坐标变换到相应的屏幕空间纹理坐标，为采样阴影纹理使用.
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                //为了减少传入的值 ，所以就不创建新变量来存储，而是把 uv 改为  四维向量 来用
                //使用 o.uv 的 xy 来存放 原人物贴图
                //使用 o.uv 的 zw 来存放 噪波贴图缩放 和 偏移 后的值
                o.uv.xy = v.uv.xy;
                //o.uv.zw = v.uv * _DissolveTex_ST.xy + _DissolveTex_ST.zw;
                o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv,_DissolveTex);

                TRANSFER_SHADOW(o)
                //把顶点转化到世界空间下
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
                
                return o;
            }
            //3.在片断着色器中添加UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos)，其中atten即存储了采样后的阴影.
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {

                UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos)
                
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);

                //把阴影 和 纹理相乘
                col *= atten;
                
                //外部获取的 纹理 ，使用前都需要采样
                fixed4 dissolveTex = tex2D(_DissolveTex,i.uv.zw);
                
                //片段的取舍
                clip(dissolveTex.r -  _Clip);

                //进行归一化
                fixed4 dissolveValue = saturate((dissolveTex.r - _Clip) / (_Clip + 0.1 - _Clip));

                fixed4 rampTex = tex1D(_RampTex,dissolveValue.r);

                //col += rampTex;
                return col;
            }
            ENDCG
        }
        //阴影的投射
        Pass
        {
            //1、设置 "LightMode" = "ShadowCaster"
            Tags{"LightMode" = "ShadowCaster"}
            CGPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            //需要添加一个 Unity变体
            #pragma multi_compile_shadowcaster

            
            #include "UnityCG.cginc"

            //声明消融使用的变量
            float _Clip;
            sampler2D _DissolveTex;
            float4 _DissolveTex_ST;
            
            //2、appdata中声明float4 vertex:POSITION;和half3 normal:NORMAL;这是生成阴影所需要的语义.
            //注意：在appdata部分，我们几乎不要去修改名字 和 对应的类型。
            //因为，在Unity中封装好的很多方法都是使用这些标准的名字
            struct appdata
            {
                float4 vertex:POSITION;
                half3 normal:NORMAL;
                float4 uv:TEXCOORD;
            };
            //3、v2f中添加V2F_SHADOW_CASTER;用于声明需要传送到片断的数据.
            struct v2f
            {
                float4 uv : TEXCOORD;
                V2F_SHADOW_CASTER;
            };
            //4、在顶点着色器中添加TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o)，主要是计算阴影的偏移以解决不正确的Shadow Acne和Peter Panning现象.
            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv,_DissolveTex);
                TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o);
                return o;
            }
            //5、在片断着色器中添加SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i)
            
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                //外部获取的 纹理 ，使用前都需要采样
                fixed4 dissolveTex = tex2D(_DissolveTex,i.uv.zw);
                
                //片段的取舍
                clip(dissolveTex.r -  _Clip);
                
                SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i);
            }
            ENDCG
        }
    }
    SubShader
    {
        Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
        LOD 400
        //使用模板测试 让 透明后的模型别看见后面的效果(对比后，不等于的直接替换)
        Stencil
        {
            //这个值，目前是随便取的
            Ref 100
            //不等于上面的值的话
            Comp NotEqual
            //替代
            Pass Replace
        }
        
        Pass
        {
            //Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
            
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            //#pragma multi_compile_fwdbase
            //剔除无用的变体
            //#pragma skip_variants DIRLIGHTMAP_COMBINED DYNAMICLIGHTMAP_ON LIGHTMAP_ON LIGHTMAP_SHADOW_MIXING LIGHTPROBE_SH SHADOWS_SHADOWMASK VERTEXLIGHT_ON
            //自己定义，阴影需要使用的变体
            
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"
            
            sampler2D _MainTex;
            float _Clip;
            sampler2D _DissolveTex; 
            //这个四维向量，xyzw分别表示 Tilling 和 Offset 的 xy ,命名方式 在纹理名 后加 _ST
            float4 _DissolveTex_ST;


            //因为 在使用渐变纹理时，只使用了 渐变纹理的 u 坐标，所以把  sampler2D 换为 sampler
            sampler _RampTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float4 uv : TEXCOORD0;
            };
            
            
            struct v2f
            {
                float4 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                
                float4 worldPos :TEXCOORD1;
            };
            
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                //为了减少传入的值 ，所以就不创建新变量来存储，而是把 uv 改为  四维向量 来用
                //使用 o.uv 的 xy 来存放 原人物贴图
                //使用 o.uv 的 zw 来存放 噪波贴图缩放 和 偏移 后的值
                o.uv.xy = v.uv.xy;
                //o.uv.zw = v.uv * _DissolveTex_ST.xy + _DissolveTex_ST.zw;
                o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv,_DissolveTex);

                TRANSFER_SHADOW(o)
                //把顶点转化到世界空间下
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
                
                return o;
            }
            
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
                
                //外部获取的 纹理 ，使用前都需要采样
                fixed4 dissolveTex = tex2D(_DissolveTex,i.uv.zw);
                
                //片段的取舍
                clip(dissolveTex.r -  _Clip);

                //进行归一化
                fixed4 dissolveValue = saturate((dissolveTex.r - _Clip) / (_Clip + 0.1 - _Clip));

                fixed4 rampTex = tex1D(_RampTex,dissolveValue.r);

                //col += rampTex;
                return col;
            }
            ENDCG
        }
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            
            float4 _Shadow;
            
            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
            };

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                //在世界空间下 压缩模型顶点后，防止压缩后角度乱动
                float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);

                float worldPosY = worldPos.y;
                    
                worldPos.y = _Shadow.y;
                worldPos.xz += _Shadow.xz * (worldPosY - _Shadow.y);
                //转化为裁剪空间内的坐标，转化时使用 UNITY_MATRIX_VP 从世界空间转化到 裁剪空间
                o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP,worldPos);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = 0;

                col.a = _Shadow.w;
                
                return col;
                
            }
            
            ENDCG
            
        }
    }
    // Fallback "Legacy Shaders/VertexLit"
}

最终效果：

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