【UE5】将2D切片图渲染为体积纹理，最终实现使用RT实时绘制体积纹理【第四篇-着色器投影-接收阴影部分】

UTwelve2024-09-27 13:06

上一章中实现了体积渲染的光照与自阴影，那我们这篇来实现投影

回顾

勘误

在开始本篇内容之前，我已经对上一章中的内容的错误进行了修改。为了确保不会错过这些更正，同时也避免大家重新阅读一遍，我将在这里为大家演示一下修改的具体内容。

  • 错误连接 ：在之前的文章里，SkyLightEnvMapSample 错误地连接到了"光源方向"。
  • 正确连接 ：实际上，需要沿垂直方向 (0,0,-1) 进行采样，这样才能与 SkyAtmosphere 的结果保持一致。

    (图为SkyLightEnvMapSample 正确的输入)

扩展:

快速的制作一个左右分屏，对比一下两者:

在材质编辑器没有SkyAtmosphere，因此左侧没有环境光:

在场景中，可以看到左右两侧的天光是基本一致的:

准备工作：整理和完善

再开始本章工作前，先对我们的凌乱的Shader做一次整理和完善吧！

整理

整理Freams

首先我们正式将XYFrames拆成两个参数，因为怕有人忘记这是一个float2值

我们有一段时间不会再见到他们了，把他们 折叠到节点 ，收纳起来

起个名改个引脚，后续的相同操作就不多说明了

整理Base

本章中还需要修改这里，所以先不打包

但我们把Density移动到LightVecor上方

之前 之后

Tip:

在这里拖动

Tip：

小懒蛋们，在文章最后展示全部代码的分，完整的输入节点的"快速粘贴"

完善光照输入

在上一章中介绍了多种对环境光照的取值方式，我们现在为他们制作切换函数

1.整理输入

调整位置，将LightVector LightColor SkyColor 三个相关输入摆放在一起：

（图中演示的是不基于SkyAtmosphere，都做相同操作）

之前 之后
2.制作函数

将它们折叠到函数，起名VolumeLight

(如果你使用的是早期UE5版本，则需要手动创建材质函数)

为其增加Input ，输入类型为StaticBool，三个输入分别命名为
UseSkyAtmosphere CustomLightVector CustomColor

我们可以使用一个小技巧，在材质中创建一个"结构体"，然后通过Switch节点进行切换，从而减少Switch节点的数量。

现在，我们已经制作了一个函数，使其可以在几种方式之间进行切换。

需要特别说明的是，实际传递的内容与MaterialAttributes节点使用的名字无关。例如，在全局位置偏移中实际放置的是LightVector。



上面这几张整体截图中，Input的输入类型是 Bool ，但应该像第一张图一样是 StaticBool

归一化

为了出于对转换结果的安全考虑，这里增加一个归一化

世界空间LightVectorWS

我们保留一个未转换为本地空间的光照方向作为输出，稍后会用到

Tip：为了避免造成误解，需要再次说明，实际传递的内容与 MaterialAttributes 节点上使用的名字无关。例如，在 全局位置偏移 中，实际放置的是 LightVector 。只是将它作为"结构体"使用。

完成后是这个样子

3.整理SelfShadow

好现在我么可以整理剩下的东西了

如上图，直接折叠，改好名即可

清爽啦

现在已经把环境整理妥当，那就开始本章内容吧！

制作Shader

简单的概述

接下来的阴影效果会将着色器的复杂度提升一大截。

需要注意的是，着色器讲究的是"看上去对的"就是"对的"。除非你确实有重大需求，否则没有必要无脑地加入更多功能，以免增加不必要的复杂度。目前，体积雾的着色器已经在计算光照的过程中实现了"自阴影"，这在很多情况已经足够了。

接下来，我们要为其增加另外两种阴影效果，分别是"体积雾对其他物体投射的阴影（投射阴影）"和"其他物体在体积雾上的阴影（接收阴影）"

接收阴影

在材质球中实现真正的"接收阴影"是一项非常复杂的任务，这对于Shader来说是非常昂贵和不切实际的。然而，我们可以利用"距离场阴影"技术来实现相似的效果。UE引擎已经广泛应用了这种技术，它计算成本低且能够生成柔和的软阴影，在性能和视觉效果之间取得了良好的平衡。

因此，我们的"接收阴影"本质上是实现一个"距离场阴影"。不过，在这篇文章中，我不会详细介绍"距离场阴影"的具体实现，因为相关信息已经很容易找到。未来，我计划写一些基于距离场的效果，届时会对"距离场阴影"进行更详细的介绍。

接下来的工作是采样全局距离场，以实现所需的阴影效果。

增加变量

为 RayMarching 新增4个输入

输入 说明
LightVectorWS 世界空间光方向
CameraPosWS 世界空间相机位置
LocalObjectBoundsMax 本地空间的Bound框大小
LightTangent 光切线,也就是对距离场步进时的距离，这将决定阴影边缘的模糊程度
DFSSteps DistanceFieldShdowSteps 的缩写，距离场阴影的采样步数

快速粘贴

((InputName="Tex"),(InputName="XYFrames"),(InputName="NumFrames"),(InputName="MaxSteps"),(InputName="StepSize"),(InputName="LocalCamVec"),(InputName="CurPos"),(InputName="FinalStepSize"),(InputName="Density"),(InputName="LightVector"),(InputName="LightColor",Input=(OutputIndex=1)),(InputName="SkyColor",Input=(OutputIndex=2)),(InputName="ShadowSteps"),(InputName="ShadowStepSize"),(InputName="ShadowDensity"),(InputName="ShadowThreshold"),(InputName="AmbientDensity"),(InputName="LightVectorWS"),(InputName="CameraPosWS"),(InputName="LocalObjectBoundsMax",Input=(OutputIndex=3,Mask=1,MaskR=1,MaskG=1,MaskB=1)),(InputName="LightTangent"),(InputName="DFSSteps")

增加代码

RayMarching代码如下:

cpp 复制代码 
//创建变量，从0开始累加沿相机方向步进过程中的总密度
float accumdens = 0;

//Shadow部分
//创建变量，透射率和光线的能量
float transmittance =1;
float3 lightenergy = 0;
//基本和相机方向步进一样，但这些都是常量，不需要写进for里
Density *= StepSize;
LightVector *= ShadowStepSize;
ShadowDensity *= ShadowStepSize;
//一个对数来计算阈值，用来判断光线是否还值得计算
float shadowthresh = -log(ShadowThreshold)/ShadowDensity;

//使用 MaxSteps 作为最大步数进行循环，每次循环执行以下操作
for (int i = 0; i < MaxSteps; i++)
{
    float cursample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(CurPos), XYFrames, NumFrames).r;// 在当前步进位置进行纹理采样

    //Shadow部分
    if(cursample > 0.001)//如果采样位置没有密度，则跳过
    {
        float3 Lpos = CurPos;//Lpos将作为光线步进的起始位置
        float shadowdist = 0;//和之前的accumdens一样，积累阴影
        
        //自阴影
        for(int s = 0; s < ShadowSteps; s++)
        {
            Lpos += LightVector;//移动步进位置
            float Lsample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(Lpos), XYFrames, NumFrames).r;//采样
            
            //判断是否在框内，不是则直接break退出for
            float3 shadowboxtest = floor( 0.5+ (abs(0.5-Lpos)));
            //float exitshadowbox = shadowboxtest.x + shadowboxtest.y + shadowboxtest.z;
            float exitshadowbox = dot(shadowboxtest,1);//简短的通道相加
            if(shadowdist > shadowthresh || exitshadowbox >= 1) break;

            shadowdist += Lsample;//累计
        }

        //接收阴影
        float3 dfpos = 2 * (CurPos -0.5) * LocalObjectBoundsMax;//-0.5 * 2，得到一个居中的Bound
        dfpos = LWCToFloat(TransformLocalPositionToWorld(Parameters,dfpos)) - CameraPosWS;//将dfpos转换为世界空间，需要LWC精度所以在代码里转换，减去相机位置
        float dftracedist = 1; //创建四个变量
        float dfshadow = 1;//这是我们最终要的
        float curdist = 0;
        float DistanceAlongTrace = 0;

        for (int d = 0; d < DFSSteps; d++)//又一次的光线步进
        {
            DistanceAlongTrace += curdist;//增加距离
            curdist = GetDistanceToNearestSurfaceGlobal(dfpos);//采样全局距离场，他和蓝图里`DistanceToNearestSurface`是相同函数

            float SphereSize = DistanceAlongTrace * LightTangent;//采样距离场软阴影的球形距离

            dfshadow = min( saturate(curdist/SphereSize),dfshadow);//用小于它的结果来更新变量

            dfpos.xyz += LightVectorWS * dftracedist * curdist;//继续移动位置
            dftracedist *= 1.0001;//增加一个很小的因子
        }


        //更新样本和光能，算法是BeersLaw函数
        cursample = 1 -exp(-cursample * Density);
        lightenergy += exp(-shadowdist * ShadowDensity) * cursample * transmittance * LightColor * dfshadow;//在结果上乘dfshadow
        transmittance *= 1-cursample;
        
        //环境光照部分
        shadowdist = 0;//重置一下阴影距离，继续利用它计算光照

        Lpos = CurPos + float3(0,0,0.025);//新位置
        float Lsample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(Lpos), XYFrames, NumFrames).r;//采样
        shadowdist += Lsample;

        Lpos = CurPos + float3(0,0,0.05);
        Lsample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(Lpos), XYFrames, NumFrames).r;//采样
        shadowdist += Lsample;

        Lpos = CurPos + float3(0,0,0.15);
        Lsample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(Lpos), XYFrames, NumFrames).r;//采样
        shadowdist += Lsample;

        lightenergy += exp(-shadowdist * AmbientDensity) *cursample * SkyColor * transmittance;//累计到光

   
    }

    CurPos += -LocalCamVec;
}

CurPos += LocalCamVec * (1 - FinalStepSize);
float cursample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(CurPos), XYFrames, NumFrames).r;

return float4(lightenergy, transmittance);

这是增加的部分:

正如之前提到的，这里不详细解释距离场阴影的原理。简单来说，我们在上一章实现了自阴影的基础上，添加了接收阴影的计算，并在后续的 lightenergy 累计过程中引入了 dfshadow 。

Tip:

使用custom写hlsl的一大缺点就是没啥向后兼容性，EPIC改不改函数名字完全取决于心情。这里使用了一个函数 GetDistanceToNearestSurfaceGlobal() 他就是蓝图中的 DistanceToNearestSurface , 如果将来哪个版本里函数报错了，希望你知道你需要找什么。

有关性能

尽管距离场阴影的性能相对较好，但它也并非真正的低成本。DistanceFieldShadowSteps 参数设置过低时，通常会出现一些奇怪的问题。为了避免这些问题，我在使用时一般将这个参数设置为大于32。不过需要注意的是，这意味着在主循环的每一步中都会执行32次计算。

目前效果

一个接收阴影就做好了

最近工作比较忙，这导致这个Shader写的比较慢。原本计划在一篇文章中同时做接收和投影阴影的实现，不过现在看来得把它们分开写。

为了避免拖得太久让大家着急，我们将在下一章再制作另一部分投影阴影的内容。

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