【URP】Unity光照阴影Light shadow

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

URP 光照阴影 使用 阴影贴图 (Shadow Maps) 和 阴影级联 (Shadow Cascades)。屏幕空间阴影渲染器功能 (Screen Space Shadows Renderer Feature)，使 URP 通过单一渲染纹理计算并绘制主方向光的阴影，而不是使用多个阴影级联贴图。

URP阴影系统核心机制‌

• ‌阴影贴图Shadow Maps‌
  • 通过光源视角的深度渲染生成_MainLightShadowmapTexture
  • 使用ShadowCaster Pass（需声明LightMode标签）生成深度数据
  • 通过_ShadowBias参数解决自阴影问题（含深度/法线偏移）
• ‌阴影级联Cascaded Shadow Maps‌
  • 将视锥体分割为近/中/远多级区域（默认4级）
  • 不同级联使用_MainLightShadowmapTexture的不同区域
  • 通过MainLightShadowCasterPass.cs动态计算级联边界
• ‌屏幕空间阴影Screen Space Shadows‌
  • 基于_CameraDepthTexture和阴影贴图实时混合计算
  • 相比级联方案减少纹理采样但增加GPU计算负担
  • 适合移动端等需要减少带宽的场景

关键实现原理‌

• ‌阴影生成流程‌

  • 深度图渲染阶段：执行ShadowCaster Pass生成光源空间深度
  • 阴影比较阶段：通过_MainLightWorldToShadow矩阵转换坐标
  • 最终混合阶段：根据阴影强度(Shadow Strength)混合光照结果

  Shader示例展示阴影比较逻辑：

  hlsl
  float4 shadowCoord = mul(_MainLightWorldToShadow, float4(worldPos, 1.0));
  float shadow = SampleShadowmap(shadowCoord); // 采样ShadowMap
  float lightAttenuation = shadow > 0 ? 1.0 : 0.0; // 阴影判断
  

• ‌优化参数体系‌

  | 参数 | 作用域 | 典型值 |
  | --- | --- | --- |
  | 分辨率 | 全局/光源级 | 1024-4096 |
  | 级联分割 | 方向光 | 2-4级 |
  | 深度偏移 | 材质/光源 | 0.001-0.1 |
  | 法线偏移 | 材质/光源 | 0.01-0.5 |

• ‌性能敏感操作‌

  • 阴影距离(Shadow Distance)：控制最大生成范围
  • 软阴影滤波(Soft Shadows)：增加PCSS滤波开销
  • 动态批处理：影响ShadowCaster Pass执行效率

阴影贴图(Shadow Maps)

实现原理是从光源视角渲染场景深度到纹理(_MainLightShadowmapTexture)，通过比较当前像素深度与ShadowMap值判断阴影区域。关键步骤包括：

• ShadowCaster Pass生成深度图，需声明LightMode="ShadowCaster"标签和对应宏
• 深度比较时使用_MainLightWorldToShadow矩阵转换坐标到光源空间
• 通过_ShadowBias参数调整深度/法线偏移防止阴影失真

阴影级联(Cascaded Shadow Maps)

将视锥体分割为多个区域(通常2×2图集)，近处使用高精度贴图，远处使用低精度，解决大场景阴影锯齿问题。URP通过MainLightShadowCasterPass.cs管理级联：

• GetShadowCasterBounds()计算影响范围
• 不同级联区域对应_MainLightShadowmapTexture的不同部分

屏幕空间阴影(Screen Space Shadows)

替代传统级联的方案，工作流程：

• 生成_CameraDepthTexture和_MainLightShadowmapTexture
• 重建世界坐标后转换到阴影空间生成_ScreenSpaceShadowmapTexture
• 相比级联方案减少纹理采样次数但增加深度预处理开销

关键参数优化

参数	作用	示例
分辨率	影响阴影精度	2048x2048适合中端设备
图集	存储多级联/多光源阴影	_MainLightShadowmapTexture为2×2图集
深度偏移	防止自阴影	_ShadowBias.x调整深度值
法线偏移	解决Peter Panning	_ShadowBias.y沿法线偏移
近裁剪面	控制阴影生成范围	Light组件中Cascade Split设置

技术对比‌

方案	优点	缺点
传统级联	精度可控	带宽占用高
屏幕空间	节省带宽	边缘锯齿明显
混合方案	平衡性能/质量	实现复杂度高

文档中特别强调：URP 14.1版本后优化了阴影图集分配策略，减少了约20%的显存占用。建议开发者通过Frame Debugger验证阴影生成各阶段的实际效果。

性能优化建议：

• 静态物体使用光照贴图烘焙阴影
• 动态物体根据距离调整阴影分辨率
• 屏幕空间阴影适合移动端(减少采样)，PC端推荐级联阴影
• 硬阴影(Hard Shadow)比软阴影节省30% GPU开销
• ‌移动端适配‌
  • 推荐使用屏幕空间阴影+中等分辨率(1024)
  • 关闭非必要级联（如保留2级）
  • 静态物体烘焙光照贴图
• ‌PC端高精度方案‌
  • 4级级联+2048分辨率
  • 启用PCSS软阴影滤波
  • 动态调整阴影距离（建议30-100米）
• ‌常见问题解决‌
  • ‌阴影锯齿‌：提高分辨率或启用软阴影
  • ‌Peter Panning‌：增加法线偏移值
  • ‌性能瓶颈‌：使用Debugger分析ShadowCaster耗时

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