【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‌
  

1. csharp
2. // URP核心流程if (主光源开启阴影) {
3.     MainLightShadowCasterPass.Render();// 生成_MainLightShadowmapTexture
4. }

复制代码

‌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‌：
  

1. hlsl
2. Pass {
3.     Tags { "LightMode" = "ShadowCaster" }
4.     #pragma multi_compile_shadowcaster // 生成SHADOWS_DEPTH/SHADOW_CUBE宏‌
5.     V2F_SHADOW_CASTER; // 声明数据结构
6.     TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o) // 顶点着色器处理深度偏移‌
7. }

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来自于Lit的阴影投射pass

1. // 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。
2. // 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。
3. Pass
4. {
5.     Name "ShadowCaster"
6.     Tags
7.     {
8.         "LightMode" = "ShadowCaster"
9.     }
11.     // -------------------------------------
12.     // Render State Commands
13.     ZWrite On
14.     ZTest LEqual
15.     ColorMask 0
16.     Cull[_Cull]
18.     HLSLPROGRAM
19.     #pragma target 2.0
21.     // -------------------------------------
22.     // Shader Stages
23.     #pragma vertex ShadowPassVertex
24.     #pragma fragment ShadowPassFragment
26.     // -------------------------------------
27.     // Material Keywords
28.     #pragma shader_feature_local _ALPHATEST_ON
29.     #pragma shader_feature_local_fragment _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A
31.     //--------------------------------------
32.     // GPU Instancing
33.     #pragma multi_compile_instancing
34.     #include_with_pragmas "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/DOTS.hlsl"
36.     // -------------------------------------
37.     // Universal Pipeline keywords
39.     // -------------------------------------
40.     // Unity defined keywords
41.     #pragma multi_compile_fragment _ LOD_FADE_CROSSFADE
43.     // This is used during shadow map generation to differentiate between directional and punctual light shadows, as they use different formulas to apply Normal Bias
44.     #pragma multi_compile_vertex _ _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW
46.     // -------------------------------------
47.     // Includes
48.     #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl"
49.     #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/ShadowCasterPass.hlsl"
50.     ENDHLSL
51. }

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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。

1. #ifndef UNIVERSAL_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED
2. #define UNIVERSAL_SHADOW_CASTER_PASS_INCLUDED
4. #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
5. #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Shadows.hlsl"
6. #if defined(LOD_FADE_CROSSFADE)
7.     #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/LODCrossFade.hlsl"
8. #endif
10. // 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
11. // For Directional lights, _LightDirection is used when applying shadow Normal Bias.
12. // 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.
13. float3 _LightDirection;
14. float3 _LightPosition;
16. struct Attributes
17. {
18.     float4 positionOS   : POSITION;
19.     float3 normalOS     : NORMAL;
20.     float2 texcoord     : TEXCOORD0;
21.     UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
22. };
24. struct Varyings
25. {
26.     #if defined(_ALPHATEST_ON)
27.         float2 uv       : TEXCOORD0;
28.     #endif
29.     float4 positionCS   : SV_POSITION;
30.     UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
31. };
33. float4 GetShadowPositionHClip(Attributes input)
34. {
35.     float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS.xyz);
36.     float3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);
38. #if _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW
39.     float3 lightDirectionWS = normalize(_LightPosition - positionWS);
40. #else
41.     float3 lightDirectionWS = _LightDirection;
42. #endif
44.     float4 positionCS = TransformWorldToHClip(ApplyShadowBias(positionWS, normalWS, lightDirectionWS));
46. #if UNITY_REVERSED_Z
47.     positionCS.z = min(positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
48. #else
49.     positionCS.z = max(positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
50. #endif
52.     return positionCS;
53. }
55. Varyings ShadowPassVertex(Attributes input)
56. {
57.     Varyings output;
58.     UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
59.     UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);
61.     #if defined(_ALPHATEST_ON)
62.         output.uv = TRANSFORM_TEX(input.texcoord, _BaseMap);
63.     #endif
65.     output.positionCS = GetShadowPositionHClip(input);
66.     return output;
67. }
69. half4 ShadowPassFragment(Varyings input) : SV_TARGET
70. {
71.     UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
73.     #if defined(_ALPHATEST_ON)
74.         Alpha(SampleAlbedoAlpha(input.uv, TEXTURE2D_ARGS(_BaseMap, sampler_BaseMap)).a, _BaseColor, _Cutoff);
75.     #endif
77.     #if defined(LOD_FADE_CROSSFADE)
78.         LODFadeCrossFade(input.positionCS);
79.     #endif
81.     return 0;
82. }
84. #endif

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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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