【URP】[实时阴影]计算流程解析

在Unity URP中，实时阴影的工作流程基于‌ShadowMap技术‌实现，主要流程如下：

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一、阴影生成流程

‌阴影贴图（ShadowMap）生成

在光源位置设置虚拟相机，渲染场景深度到纹理：

• 主光源阴影由ShadowCaster Pass处理，输出深度图到_MainLightShadowmapTexture‌
• 使用级联阴影（Cascaded Shadow Mapping）提升精度：将ShadowMap划分为2×2图集，对应不同精度等级‌

csharp
// URP核心流程if (主光源开启阴影) {
    MainLightShadowCasterPass.Render();// 生成_MainLightShadowmapTexture
}

‌深度值比较

正常渲染时执行：

• 将像素坐标转换到光源空间获取深度值
• 采样ShadowMap比较深度：若当前深度 > ShadowMap值，则判定为阴影区域‌

二、关键Pass的作用

‌ShadowCaster Pass‌

• ‌作用‌：专用于生成阴影贴图
• ‌输出目标 ‌：_MainLightShadowmapTexture（主光源）或自定义ShadowMap
• ‌Shader要求‌：

hlsl
Pass {
    Tags { "LightMode" = "ShadowCaster" }
    #pragma multi_compile_shadowcaster // 生成SHADOWS_DEPTH/SHADOW_CUBE宏‌
    V2F_SHADOW_CASTER; // 声明数据结构
    TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o) // 顶点着色器处理深度偏移‌
}

来自于Lit的阴影投射pass

// ShadowCaster 计算灯光的深度贴图，相当于以光的位置主动投射到物体上，形成的偏移阴影。用来投射阴影到其他位置的计算。
// 这里涉及到_ShadowBias在Shadow.hlsl中x分量表示DepthBias深度方向偏移，y分量表示NormalBias法线方向偏移。
Pass
{
    Name "ShadowCaster"
    Tags
    {
        "LightMode" = "ShadowCaster"
    }

    // -------------------------------------
    // Render State Commands
    ZWrite On
    ZTest LEqual
    ColorMask 0
    Cull[_Cull]

    HLSLPROGRAM
    #pragma target 2.0

    // -------------------------------------
    // Shader Stages
    #pragma vertex ShadowPassVertex
    #pragma fragment ShadowPassFragment

    // -------------------------------------
    // Material Keywords
    #pragma shader_feature_local _ALPHATEST_ON
    #pragma shader_feature_local_fragment _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A

    //--------------------------------------
    // GPU Instancing
    #pragma multi_compile_instancing
    #include_with_pragmas "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/DOTS.hlsl"

    // -------------------------------------
    // Universal Pipeline keywords

    // -------------------------------------
    // Unity defined keywords
    #pragma multi_compile_fragment _ LOD_FADE_CROSSFADE

    // This is used during shadow map generation to differentiate between directional and punctual light shadows, as they use different formulas to apply Normal Bias
    #pragma multi_compile_vertex _ _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW

    // -------------------------------------
    // Includes
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl"
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/ShadowCasterPass.hlsl"
    ENDHLSL
}

ShadowCasterPass.hlsl

阴影投射主要计算在顶点计算位置，片元不需要处理纹理颜色阴影返回0给黑色。

#ifndef UNIVERSAL_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED
#define UNIVERSAL_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Shadows.hlsl"
#if defined(LOD_FADE_CROSSFADE)
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/LODCrossFade.hlsl"
#endif

// Shadow Casting Light geometric parameters. These variables are used when applying the shadow Normal Bias and are set by UnityEngine.Rendering.Universal.ShadowUtils.SetupShadowCasterConstantBuffer in com.unity.render-pipelines.universal/Runtime/ShadowUtils.cs
// For Directional lights, _LightDirection is used when applying shadow Normal Bias.
// For Spot lights and Point lights, _LightPosition is used to compute the actual light direction because it is different at each shadow caster geometry vertex.
float3 _LightDirection;
float3 _LightPosition;

struct Attributes
{
    float4 positionOS   : POSITION;
    float3 normalOS     : NORMAL;
    float2 texcoord     : TEXCOORD0;
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

struct Varyings
{
    #if defined(_ALPHATEST_ON)
        float2 uv       : TEXCOORD0;
    #endif
    float4 positionCS   : SV_POSITION;
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

float4 GetShadowPositionHClip(Attributes input)
{
    float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS.xyz);
    float3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);

#if _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW
    float3 lightDirectionWS = normalize(_LightPosition - positionWS);
#else
    float3 lightDirectionWS = _LightDirection;
#endif

    float4 positionCS = TransformWorldToHClip(ApplyShadowBias(positionWS, normalWS, lightDirectionWS));

#if UNITY_REVERSED_Z
    positionCS.z = min(positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#else
    positionCS.z = max(positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#endif

    return positionCS;
}

Varyings ShadowPassVertex(Attributes input)
{
    Varyings output;
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);

    #if defined(_ALPHATEST_ON)
        output.uv = TRANSFORM_TEX(input.texcoord, _BaseMap);
    #endif

    output.positionCS = GetShadowPositionHClip(input);
    return output;
}

half4 ShadowPassFragment(Varyings input) : SV_TARGET
{
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);

    #if defined(_ALPHATEST_ON)
        Alpha(SampleAlbedoAlpha(input.uv, TEXTURE2D_ARGS(_BaseMap, sampler_BaseMap)).a, _BaseColor, _Cutoff);
    #endif

    #if defined(LOD_FADE_CROSSFADE)
        LODFadeCrossFade(input.positionCS);
    #endif

    return 0;
}

#endif

DepthOnly Pass‌

• ‌作用‌：生成场景深度图（非直接用于阴影）
• ‌输出目标 ‌：_CameraDepthTexture
• ‌阴影关联‌：为屏幕空间阴影计算提供场景深度数据，非阴影贴图直接来源‌

三、阴影生成位置

• ‌核心Pass ‌：阴影完全由LightMode="ShadowCaster"的Pass生成‌
• ‌执行阶段 ‌：在MainLightShadowCasterPass渲染管线阶段完成‌
• ‌纹理存储 ‌：
  • 主光源阴影 → _MainLightShadowmapTexture‌
  • 点光源阴影 → CubeMap形式存储‌

四、深度偏移处理

通过TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET宏：

• 自动计算法线偏移
• 解决Shadow Acne（阴影痤疮）和Peter Panning（边缘剥离）问题‌

五、级联阴影优化

URP采用2×2级联图集：

• 每级对应不同视锥区域
• 动态分配精度：近距离高精度，远距离低精度‌
• 通过GetShadowCasterBounds()计算光源影响范围‌

⚠️ 注意事项

• 物体需包含ShadowCaster Pass才能投射阴影‌
• 深度测试冲突可能导致阴影缺失，需检查材质配置

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