游戏阴影渲染知识总结
- By losuffi
- 周日 02 七月 2023
总结一下目前了解到的游戏渲染中，对于阴影的处理方式。笔者目前是使用的是UE引擎的一名码农，所以图谱也以，目前UE里看见的阴影技术为基础往外拓展。尽量做到将笔者所见到听到的阴影技术都囊括其中。
阴影与光照，一直是贯穿游戏渲染的核心主题，两者相辅相成，在3D游戏中，两者是构成精美画面最重要的一环。当然也是对于图形程序员来说，一个特别困难的任务。对于阴影而言，其困难之处主要包括：软阴影、阴影数据存储、投影方式等。
1. Shadow Map
对于当前的商业游戏引擎来说，Shadow Map，在阴影渲染技术中，属于一个最基础的方案，无论Unity 还是UE，默认的阴影方案，都是基于Shadow Map的。其核心思路是：在片元着色之前预先在光源空间中，生成一张阴影深度贴图，在片元着色阶段生成最终颜色时，读取阴影深度贴图，来得到片元是否在阴影之中的信息，进而表现出阴影着色的效果。
综上，可以优先确认其方案在实时渲染中的一些困难之处：
1. 分辨率问题，生成的Shadow Depth Map，其分辨率不可能无限大，在有限的分辨率下，如何保存一帧中，当前画面所有片元的阴影深度信息，使得其阴影信息足够精确（想象较远处，一棵树的树叶的阴影）
2. 锯齿问题，由1，很自然能想到，即使在可见区域较小，依然会存在阴影边缘处的锯齿问题
1.1 Cascade Shadow Map
对于第1个问题，通用的解决方案是Cascade Shadow Map。Cascade 并没有从源头解决分辨率不能无限的问题，只是一种将Shadow Map把分辨率分级的方式，类似LOD。从人的观察方式来说，近处一般需要更多细节，而远处本身看不清楚，需要的细节更少，以UE为例，将Shadow Map 分成4级，每一级的分辨率降低4（2x2）倍，根据距离不同，读取不同级别分辨率的Shadow Map。
1.2 PCF
对于第二个问题，在采样Shadow Depth 时，使用PCF的方案是一种常见的方式，PCF全称为：Percentage Close Filter，是一种过滤方式，在采样Shadow Depth时，同时取相邻像素的多个Shadow Depth，并分别于片元深度进行比较，然后加权累加，与之前非0即1的答案相比，在Shadow 边缘处，可以得到一个（0-1）之间的浮点值，平滑边缘。