Screen Space Shadows（屏幕空間陰影）是Unity URP中通過屏幕空間數據實時計算陰影的技術，其核心原理是通過深度/法線信息重建世界座標後與陰影貼圖比較生成陰影。以下是詳細分析：
Screen Space Shadows（屏幕空間陰影）是Unity URP中通過屏幕空間數據實時計算陰影的技術，其核心原理是通過深度/法線信息重建世界座標後與陰影貼圖比較生成陰影。以下是詳細分析：
技術原理與發展歷史
- 基礎原理：傳統Shadow Mapping需從光源視角生成深度圖，再與攝像機視角深度比較。而Screen Space Shadows直接在屏幕空間計算，利用_CameraDepthTexture和_MainLightShadowmapTexture進行深度比較。
- 技術演進：
- 早期採用標準Shadow Mapping存在精度問題
- 引入級聯陰影（CSM）解決大場景問題
- URP 14+版本通過ScreenSpaceShadowResolvePass實現優化
- 性能對比：相比傳統方案，屏幕空間陰影減少Overdraw但增加Depth Prepass開銷。
原理
核心原理
- 雙階段渲染機制
- 深度圖生成階段：從光源視角渲染場景，將最近表面深度值存儲到
_MainLightShadowmapTexture中 - 陰影判定階段：在攝像機視角渲染時，將像素座標轉換到光源空間，比較當前深度與ShadowMap中的深度值，若當前深度更大則判定為陰影區域
- 級聯陰影優化CSM
通過將視錐體劃分為多個層級（如4級），近處使用高分辨率ShadowMap，遠處使用低分辨率，平衡性能與精度
關鍵實現步驟
- ShadowCaster Pass
hlsl
Pass {
Tags {"LightMode"="ShadowCaster"}
HLSLPROGRAM
#pragma vertex ShadowPassVertex
#pragma fragment ShadowPassFragment
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
// 應用深度偏移防止自陰影偽影
float3 _ShadowBias; // x:DepthBias, y:NormalBias
ENDHLSL
}該Pass專用於生成深度圖，通過_ShadowBias參數控制深度偏移
- 光源空間矩陣計算
構建_MainLightWorldToShadow矩陣，將世界座標轉換到光源裁剪空間：
csharp
Matrix4x4 worldToView = light.transform.worldToLocalMatrix;
Matrix4x4 viewToProj = GL.GetGPUProjectionMatrix(light.projectionMatrix, false);
_MainLightWorldToShadow = viewToProj * worldToView;該矩陣用於在着色器中計算陰影座標
- 陰影採樣與混合
在片元着色器中通過PCF(Percentage Closer Filtering)實現軟陰影：
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;
}使用泊松圓盤採樣實現邊緣柔化
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. 配置光源參數
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
}
}
}參數説明
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參數
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作用
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典型值
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技術原理
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陰影最大渲染距離
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50-100
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超出距離後淡出陰影
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級聯分層數
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2/4
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動態分配紋理分辨率
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深度偏移量
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0.01-0.1
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防止自陰影偽影
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法線偏移量
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0.5-2.0
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改善尖鋭邊緣陰影
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該實現結合了URP的ShadowCaster管線與自定義Shader，通過級聯陰影和PCF濾波達到平衡性能與質量的效果
參數説明與用例
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參數
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説明
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典型值
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Strength
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陰影濃度
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0.5-1.0
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Bias
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防止自陰影
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0.05-0.2
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Normal Bias
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法線偏移
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0.3-0.7
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Resolution
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精度等級
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High/Very High
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實際應用場景：
- 動態物體陰影：配合CSM實現高質量移動物體陰影
- 性能敏感場景：中低端設備可降低Resolution至Medium
- 特效增強：結合Decal系統實現彈孔等動態貼花效果
完整配置流程
- 創建Renderer Feature並附加到URP Asset
- 編寫Shader處理深度比較邏輯
- 通過Frame Debugger驗證陰影生成階段
- 調整Bias參數消除陰影瑕疵
關鍵Shader需包含以下處理：
- 深度重建世界座標
- 光源空間座標轉換
- 陰影強度插值計算