Unity移动端动态阴影总结
一、基于Cubemap的动态软阴影
ARM公司曾利用Unity开发过两款技术Demo（Ice Cave和Chess Room），充分发挥了Cubemap的强大功能，不仅用于地面反射、冰块折射，还用于实现动态软阴影，凭借简单的技术打造出了高品质画面。以下是Ice Cave的效果展示。
反射、折射部分可参考：Reflections Based on Local Cubemaps in Unity、ARM Guide for Unity Developers，下面将重点介绍软阴影部分的原理。
以国际象棋屋为例，在屋子中间放置一个Reflect probe来拍摄周围环境，仅使用了Cubemap的RGB通道。实际上，周围环境的Alpha通道也代表了光是否穿透窗户或被墙壁遮挡，因此可以利用Cubemap剩余的Alpha通道来存储光与周围环境的遮挡情况，Alpha通道图如下（此处原文未给出图）。
生成Cubemap的细节可参考AssetStore中的源码：Asset Store
利用生成的Cubemap渲染阴影主要分为两步：一是将向量L（vertex - to - light）转换为Lp（校准过的vertex - to - light，用于采样Cubemap）；二是进行软阴影处理。
1. L到Lp向量校准
输入参数
_EnviCubeMapPos：cubemap中心坐标_BBoxMax：包围盒最大坐标，在生成Cubemap时自动生成_BBoxMin：包围盒最小坐标，在生成Cubemap时自动生成V：顶点坐标L：vertex - to - light向量，已归一化
输出参数
Lp：校准后的vertex - to - light向量，作为UV去采样Cubemap
校准过程
先利用线和包围盒求交点，从包围盒位置到交点的向量即为Lp，然后使用Lp去采样Cubemap用于着色。另外，需要对背面进行特殊处理，以防止出现阴影穿透问题。
2. 软阴影
阴影平滑的过程十分有趣。首先，将Cubemap过滤方式选择为tri - linear filtering，然后计算vertex - to - intersection - point（顶点到交点）向量的长度，并乘以外部传入系数。
为了平滑阴影，使用texCUBElod去采样Cubemap，其中UV的XYZ来自Lp，W来自vertex - to - intersection - point（顶点到交点）的距离。从下图（此处原文未给出图）可以看到，离窗户越远处的阴影越模糊。
这种实现阴影的方法的局限性在于，比较适合室内环境、点光源位置不变且内部有移动物体的情况。
二、地面云阴影
对于地面上的云阴影，使用实时灯光照射来产生阴影显然不划算。可以直接在地面shader中混合一个运动的云图，就能达到类似的效果。
由于gif图无法显示，可查看：云阴影
我使用shaderforge创建了一个简单的版本。另外，这种方法也可用于实现地面风雪效果。
三、植物摇曳阴影
对于树、草、旗子这类位置不变但有摇曳动画的物体，可以预先将阴影烘焙到贴图中，然后将阴影图作为单独贴图或地面贴图Alpha通道传送到地面shader中，之后只需添加阴影晃动的特性，使其随植物晃动而晃动，就能营造出真实阴影的感觉。同时，要注意阴影的方向以及与植物晃动同步等细节。
具体细节可参考：手机游戏中大量植物图像的伪阴影渲染
四、结合Projector和Rendertexture的实时阴影
创建一个跟随主相机的阴影相机，将其改为正交投影，并设置单独的shadow Layer，把需要投射阴影的物体设置到shadow layer。为该阴影相机设置渲染目标到一个渲染纹理RTT_Shadow。另外，创建一个Projector，为其设置一个材质Mat_Proj，并将RTT_Shadow传递到Mat_Proj的shader中进行着色。为防止投影相机边缘出现刺刺的长线，需要设置一个阴影衰减纹理；如果需要软阴影，则需要另外进行Blur处理。
这是近年来手游中应用较为广泛的方法，网上有很多相关文章，例如：结合Projector和Rendertexture实现实时阴影、ProjectorShadow（手游上的实时阴影方案）。另外，AssetStore也有不少类似插件：Fast Shadow Projector
五、角色脚下阴影面片
对于游戏中的NPC、杂兵、野怪等非关键性角色，可以直接放置一个阴影面片来模拟阴影。当然，如果地面起伏较大，可能会出现穿插问题。
六、Light Probe
具体细节可参考Unity手册，此处不再赘述：Light Probes
七、Shadow Maps
1. Standard Shadow Mapping
其基本思想是在光源位置放置一个相机（Light space Camera），绘制一遍深度得到深度图。在渲染场景时，将pixel坐标转换到Light Space计算深度，然后将其与深度图中的深度进行比较。如果比深度图中的深度大，则意味着该像素处于阴影中；否则，该像素被照亮。
阴影的锯齿主要有两类：透视导致的锯齿（Perspective alias）和投影导致的锯齿（Project alias）。
2. PCF
投影导致的锯齿是由于灯光投射方向和物体表面夹角过小时，多个pixel对应阴影图的一个texel。这可以通过提高阴影图的大小来解决，也可以通过Percentage Closer Filtering（PCF）来柔化边缘。PCF在绘制时，除了绘制当前点，还会对周围像素进行多次采样、混合，以柔化锯齿。常用的PCF方法有：使用随机采样实现soft shadow、泊松采样等。
3. PSM
透视导致的锯齿是由透视的近大远小特性引起的。于是，出现了Perspective Shadow Map（PSM），它将整个Shadow Map的计算过程转到归一化设备空间（NDC）进行计算，从而消除了近大远小的问题。下图（此处原文未给出图）展示了Standard Shadow Map和经过Perspective Shadow Map优化后的阴影，优化后的阴影明显更细致。
然而，PSM本身存在很大局限性，例如影子质量比较依赖视角方向、近处阴影与远处阴影Z分布过大。
4. LISPSM
在PSM的基础上，又出现了新的阴影技术Light Space Perspective Shadow Maps（LISPSM）。它在与灯光方向垂直的方向构建View Frustrum，然后将灯光、场景都转换到这个View Frustrum的Perspective space，再计算Shadow Map。这样，无论是点光、聚光还是平行光，都可以转换为平行光。
左图（此处原文未给出图）是Uniform（近处精度不足），中间是LISPSM（近处、远处精度都不错），右面是PSM（远处精度不足）。
LISPSM具体细节参考：https://www.cg.tuwien.ac.at/research/vr/lispsm/shadows_egsr2004_revised.pdf
5. VSM（方差阴影）
在使用PCF时，一般不能提前对Shadow Map进行模糊处理，因为这会导致PCF计算不准确。而Variance Shadow Maps（VSM）则没有这个限制。VSM存储的Shadow Map不仅包括深度，还包括深度的平方，此时可以对Shadow Map进行过滤，然后利用切比雪夫不等式计算出大于当前深度的概率上限，即阴影区的概率。
左图（此处原文未给出图）是Standard Shadow Map，右图是Variance Shadow Map。
具体细节参考：Variance Shadow Mapping、VSM的demos、Matt's Variance Shadow Maps
6. CSM/PSSM
这是两种分别研究发表但原理几乎相同的阴影技术，Unity使用的是CSM，其中PSSM是由几个中国人（Zhang F, Sun H Q, Xu L L, et al）提出的。它们的原理如下：
a) 切分阴影图
对摄像机视锥体内沿着Z轴由近到远将阴影图切分为多张，切分规则是均匀切分和指数切分的混合，两者按照一定比率进行混合。
b) 计算cropMatrix
针对每一块分别计算一个光源投影空间内平移、缩放的矩阵cropMatrix，该矩阵可以将切分的多块移动、缩放到光源的视椎中，其形式与正交投影矩阵非常相似。
// Build a matrix for cropping light's projection
// Given vectors are in light's clip space
Matrix Light::CalculateCropMatrix(Frustum splitFrustum)
{
Matrix lightViewProjMatrix = viewMatrix * projMatrix;
// Find boundaries in light's clip space
BoundingBox cropBB = CreateAABB(splitFrustum.AABB, lightViewProjMatrix);
// Use default near - plane value
cropBB.min.z = 0.0f;
// Create the crop matrix
float scaleX, scaleY, scaleZ;
float offsetX, offsetY, offsetZ;
scaleX = 2.0f / (cropBB.max.x - cropBB.min.x);
scaleY = 2.0f / (cropBB.max.y - cropBB.min.y);
offsetX = -0.5f * (cropBB.max.x + cropBB.min.x) * scaleX;
offsetY = -0.5f * (cropBB.max.y + cropBB.min.y) * scaleY;
scaleZ = 1.0f / (cropBB.max.z - cropBB.min.z);
offsetZ = -cropBB.min.z * scaleZ;
return Matrix( scaleX, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, scaleY, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, scaleZ, 0.0f,
offsetX, offsetY, offsetZ, 1.0f);
}
c) 渲染阴影图
针对切分的每一块渲染阴影图，通常阴影图大小相同，例如都是1024 * 1024。由于近处包含的场景范围比远处小，所以近处阴影图的精度会更高。
d) 渲染场景阴影
最后进行场景阴影的渲染。