大世界树木阴影方案集合

大世界树木阴影方案集合

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一、需求

Unity引擎对Terrain上的树阴影处理的稍显简易,常常满足不了项目需求。当动态物体采样Light Probe,默认是不给树烘焙Lightmap的。但我们知道这种大型的动态物体即便light probe proxy volume(不支持,改支持也卡) 也仅仅是更丰富间接光和大型遮挡,无法有效地表达自阴影效果。一旦出了实时阴影距离,画面就差了很多。而且手上的《生死狙击2》是一款投入4亿研发的大型项目。我作为负责图形渲染技术的人,自然是需要做大量的技术方案尝试与对比的。

具体需求是50米内用Shadowmap,50-1500米都要有平行光阴影,平行光是静态的。

以下是我尝试过或了解过可以满足这个需求的7种方案。

  1. 烘焙可实例复用的无方向性间接光阴影
  2. 烘焙可实例复用+可旋转的平行光阴影
  3. 低精度预计算静态Shadowmap阴影
  4. 稀疏八叉树体素化静态阴影
  5. 屏幕空间接触实时阴影
  6. 基于低精度高度图实时阴影
  7. 距离场加速Ray Marching阴影

方案1:烘焙可实例复用的无方向性间接光阴影

这是最简单粗暴的一种做法,就是在3DsMax下利用天光烘焙一个类似AO一样的阴影,这样树木在旋转任意角度后和在任何角度的阳光下都兼容,资源复用率最高,但没有考虑到平行光阴影有点不真实和符合要求不高的问题。得到类似这样的烘焙图,作用在树的两套UV上。代码也很简单,只需要在SpeedTreeCommon.cginc内加入UV1传递,最后*到Albedo上,因为仅仅像AO一样作用间接光影响不够大。


Max烘焙的AO图绑定树的Prefab复用,Unity烘焙无法复用且带方向


实时阴影内


实时阴影外


本方案效果

优点:简单好用,用4行代码实现,性能很高,一张低分辨率图采样1次。

缺点:没考虑方向光,只能自己改善阴影,不能遮挡树下动态物件(静态可以烘焙Shadowmask)。


方案2:烘焙可实例复用+可旋转的平行光阴影

与上一个方案很像,但加上了方向考虑,烘焙这样的8个平行光烘焙图。

根据树实例不同的朝向,设置不同的AO图,但由于树在地形上设置起来不方便,可以做成数组或图集。Shader内根据朝向自己取Index或Offset,因为效果和上一个类似,但带了更好的方向性。每个方向都比较正常。如果觉得8个方向不够可以用2个方向插值或做16个朝向的图。


本方案效果

优点:简单好用,性能很高,一张低分辨率图集采样1次或2次,支持旋转,带有方向性阴影。

缺点:不同角度太阳的地图可能都需要一套独立的贴图, 只能自己改善阴影,不能遮挡树下动态物件(静态可以烘焙Shadowmask)。


方案3:低精度预计算静态Shadowmap阴影

先对比下实时阴影内的效果,树叶自阴影还不错,但第二张,在实时阴影外就惨不忍睹了。

用4M静态Shadowmask效果:

原理:离线对场景拍一张记录深度图的Shadowmap且记录灯光相机的matrix_vp。但因为这种大范围的拍摄,深度精度或许会不足,所以我没用16位的,而是用RGBA32自己压缩了深度,所以看起来是条纹的。

优点:不仅自己有阴影还能遮挡远处的人物等动态对象,实现简单,运行时省Draw Call,不用反复拍摄远景。

缺点:显存大。

继续升级的方案:基于虚拟贴图的静态Shadowmap或Texture streaming的Shadowmap。

之前工程:https://github.com/jackie2009/ScrollingStaticShadowmap


方案4:稀疏八叉树体素化静态阴影

用0.9M体素化阴影的效果:

原理:每0.5米一个立方体,记录0或1,表示是否在阴影内,作为八叉树节点。然后通过树的压缩节省内存。

要研究压缩的可以看我另一篇全面压缩的4种算法。

《四叉树阴影高级压缩技巧》

优点:不仅自己有阴影还能遮挡远处的人物等动态对象,运行时省Draw Call,不用反复拍摄远景,相比Shadowmap省显存。

缺点:实现复杂些,预计算写高并发才能够快。Shader需要多次采样才能查询到结果。

原理引用:《Shader内用八叉树实现体素化阴影》

工程文件:https://github.com/jackie2009/ocTreeVoxelizedShadows/

方案5、6、7 :每个Demo开发都比较复杂,后面更新或单独一篇。


文末,再次感谢偶尔不帅的分享,如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们,一起探讨。(QQ群:793972859)

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