【URP】Unity[RendererFeatures]屏幕空间阴影ScreenSpaceShadows

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

Screen Space Shadows（屏幕空间阴影）是Unity URP中通过屏幕空间数据实时计算阴影的技术，其核心原理是通过深度/法线信息重建世界坐标后与阴影贴图比较生成阴影。以下是详细分析：

技术原理与发展历史

• ‌基础原理‌：传统Shadow Mapping需从光源视角生成深度图，再与摄像机视角深度比较。而Screen Space Shadows直接在屏幕空间计算，利用_CameraDepthTexture和_MainLightShadowmapTexture进行深度比较。
• ‌技术演进 ‌：
  • 早期采用标准Shadow Mapping存在精度问题
  • 引入级联阴影（CSM）解决大场景问题
  • URP 14+版本通过ScreenSpaceShadowResolvePass实现优化
• ‌性能对比‌：相比传统方案，屏幕空间阴影减少Overdraw但增加Depth Prepass开销。

原理

核心原理

• ‌双阶段渲染机制‌

  • ‌深度图生成阶段 ‌：从光源视角渲染场景，将最近表面深度值存储到_MainLightShadowmapTexture中
  • ‌阴影判定阶段‌：在摄像机视角渲染时，将像素坐标转换到光源空间，比较当前深度与ShadowMap中的深度值，若当前深度更大则判定为阴影区域

• ‌级联阴影优化CSM‌

  通过将视锥体划分为多个层级（如4级），近处使用高分辨率ShadowMap，远处使用低分辨率，平衡性能与精度

关键实现步骤

• ‌ShadowCaster Pass‌

  hlsl
  Pass {
      Tags {"LightMode"="ShadowCaster"}
      HLSLPROGRAM
      #pragma vertex ShadowPassVertex
      #pragma fragment ShadowPassFragment
      #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
      // 应用深度偏移防止自阴影伪影
      float3 _ShadowBias; // x:DepthBias, y:NormalBias
      ENDHLSL
  }

  该Pass专用于生成深度图，通过_ShadowBias参数控制深度偏移

• ‌光源空间矩阵计算‌

  构建_MainLightWorldToShadow矩阵，将世界坐标转换到光源裁剪空间：

  csharp
  Matrix4x4 worldToView = light.transform.worldToLocalMatrix;
  Matrix4x4 viewToProj = GL.GetGPUProjectionMatrix(light.projectionMatrix, false);
  _MainLightWorldToShadow = viewToProj * worldToView;

  该矩阵用于在着色器中计算阴影坐标

• ‌阴影采样与混合‌

  在片元着色器中通过PCF(Percentage Closer Filtering)实现软阴影：

  hlsl
  float SampleShadowmap(float4 shadowCoord) {
      float shadow = 0;
      for(int i = 0; i < 4; i++) {
          shadow += SAMPLE_TEXTURE2D_SHADOW(
              _MainLightShadowmapTexture,
              sampler_MainLightShadowmapTexture,
              shadowCoord.xyz + poissonDisk[i] * _ShadowSoftness
          );
      }
      return shadow / 4;
  }

  使用泊松圆盘采样实现边缘柔化

完整URP示例

• ShadowFeature.cs

  using UnityEngine.Rendering.Universal;
  
  public class ShadowFeature : ScriptableRendererFeature {
      class ShadowPass : ScriptableRenderPass {
          public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData data) {
              // 1. 配置光源参数
              var shadowLight = data.lightData.mainLightIndex;
              if (shadowLight == -1) return;
  
              // 2. 渲染ShadowMap
              CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get("ShadowMap");
              context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
              CommandBufferPool.Release(cmd);
          }
      }
  }

• ShadowShader.shader

  Shader "Custom/ShadowReceiver" {
      Properties {
          _ShadowStrength("Shadow Strength", Range(0,1)) = 0.5
      }
      SubShader {
          Pass {
              HLSLPROGRAM
              #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
              float _ShadowStrength;
  
              float4 frag(v2f i) : SV_Target {
                  float shadow = MainLightRealtimeShadow(i.shadowCoord);
                  return lerp(1, shadow, _ShadowStrength);
              }
              ENDHLSL
          }
      }
  }

参数说明

参数	作用	典型值	技术原理
Shadow Distance	阴影最大渲染距离	50-100	超出距离后淡出阴影
Cascade Count	级联分层数	2/4	动态分配纹理分辨率
Depth Bias	深度偏移量	0.01-0.1	防止自阴影伪影
Normal Bias	法线偏移量	0.5-2.0	改善尖锐边缘阴影

该实现结合了URP的ShadowCaster管线与自定义Shader，通过级联阴影和PCF滤波达到平衡性能与质量的效果

参数说明与用例

参数	说明	典型值
Strength	阴影浓度	0.5-1.0
Bias	防止自阴影	0.05-0.2
Normal Bias	法线偏移	0.3-0.7
Resolution	精度等级	High/Very High

‌实际应用场景‌：

• ‌动态物体阴影‌：配合CSM实现高质量移动物体阴影
• ‌性能敏感场景‌：中低端设备可降低Resolution至Medium
• ‌特效增强‌：结合Decal系统实现弹孔等动态贴花效果

完整配置流程

• 创建Renderer Feature并附加到URP Asset
• 编写Shader处理深度比较逻辑
• 通过Frame Debugger验证阴影生成阶段
• 调整Bias参数消除阴影瑕疵

关键Shader需包含以下处理：

• 深度重建世界坐标
• 光源空间坐标转换
• 阴影强度插值计算

---

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）