Unity3D中使用Projector生成阴影

在Unity3D中使用Projector实现动态阴影

　　无意中看见一篇博客叙述使用Projector实现动态阴影可以在移动平台拥有非常好的性能，遂按照其想法实现了一遍，发现其中竟有许多细节，写下这篇博客记录以供将来参考。

Projector

　　

　　从上图中我们发现Projector中的参数参数Camera的参数非常的相似，那Projector是做什么的呢？

　　官方解释：A Projector allows you to project a Material onto all objects that intersect its frstum.也就是Projector是把一个材质投影到与Projector视锥体相交的物体上，这个描述比较抽象，我们可以用以前的胶片电影来类比一下：Projector就是胶片放映机，被投影的材质就是胶片，Projector投影就像胶片放映机把胶片内容投影到电影幕布一样。

　　按照这个理解，我们发现这个与平时在OpenGL中提到的摄像机投影有点不一样，OpenGL的投影矩阵干的事是把三维物体投影到摄像机的近平面，也就是三维到二维的一个改变，但Projector投影确是相反，把一个纹理投影到三维物体的表面。

原理

　　按照上述Projector的理解，我们可以设想一个产生阴影的方法：先把要产生阴影的物体绘制到纹理中，然后把这个纹理投影到要接收阴影的物体表面上（注意与产生阴影的物体区分开），这样就有了阴影，而这就是Projector产生阴影的原理。

实现细节

　　首先是要生成要被投影的阴影，因为这个阴影要与物体完美衔接，所以我们需要用Projector的参数来生成这个纹理，在Unity3D中我们的做法是：

　　1.创建一个新Camera，Camera的参数与Projector的一致；

　　2.设置Camera的Culling Mask为要产生阴影的物体所在的LayerMask，Projector的ignore Layers同样设置为这个LayerMask，同时把要产生阴影的物体的Layer设置为这个LayerMask；

　　3.设置Camera渲染使用的shader，即camera.setReplaceShader;

　　4.创建RenderTexture，使用的分辨率视自己需求而定，分辨率越高，阴影越精细；

　　5.设置新建的Camera的TargetTexture为新建的RenderTexture；

　　6.新建Projector所需材质，可以使用standard assets中的“ProjectorMultipy”shader创建，设置材质的_ShadowTex为新建的RenderTexture；

　　7.运行即可看到效果。

　　需要注意的是：

　　1.传递给Projector材质的RenderTexture必须是clamp模式，但是如果阴影到了RenderTexture边缘的像素，因为是Clamp的原因，地板就会出现整个长条形的阴影，解决方案可以通过给projector材质添加mask图来处理边缘的像素；

　　2.RenderTexture其实我们只需要表示产生阴影物体的位置，所以Camera使用的ReplaceShader可以使用最简单的shader，只写入一个通道值就可以了；

效果

ProjectorMultiply.Shader

　　 被投影的材质需要特殊的shader，其实主要是要计算阴影的uv坐标。因为我们使用的是新建的一个纹理，这个纹理如何应用到物体的表面，需要使用Projector定义的一个投影矩阵，也就是通过这个矩阵来计算投影后的uv坐标。比较人性化的是Unity3D已经帮我们计算好了，直接在shader中声明float4x4 unity_Projector就可以使用了。shader中还用到了falloff的一个texture，通常是一张左白右黑的贴图，用于控制阴影的强弱。Falloff左边为白色，alpha值为1，对应投影距离最近时最亮，右边接近全黑，alpha值为0，表示投影距离变远时投影会渐渐接近透明甚至看不见。具体代码如下：

// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

// Upgrade NOTE: replaced '_Projector' with 'unity_Projector'
// Upgrade NOTE: replaced '_ProjectorClip' with 'unity_ProjectorClip'

Shader "Projector/Multiply" {
	Properties {
		_ShadowTex ("Cookie", 2D) = "black"{}
		_FalloffTex ("FallOff", 2D) = "white" {}
	}
	Subshader {
		Tags {"Queue"="Transparent"}
		Pass {
			ZWrite Off
			ColorMask RGB
			Blend DstColor Zero
			Offset -1, -1

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			#pragma multi_compile_fog
			#include "UnityCG.cginc"

			struct v2f {
				float4 uvShadow : TEXCOORD0;
				UNITY_FOG_COORDS(1)
				float4 pos : SV_POSITION;
			};

			float4x4 unity_Projector;

			v2f vert (float4 vertex : POSITION)
			{
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos (vertex);
				o.uvShadow = mul (unity_Projector, vertex);
				UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos);
				return o;
			}

			sampler2D _ShadowTex;
			sampler2D _FalloffTex;

			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
			{
				fixed4 texS = tex2Dproj (_ShadowTex, UNITY_PROJ_COORD(i.uvShadow));
				fixed4 texF = tex2Dproj (_FalloffTex, UNITY_PROJ_COORD(i.uvShadow));
				fixed ratio =  texF.r * texS.a;
				fixed4 res = fixed4(1,1,1,1) *  (1 - ratio);
				UNITY_APPLY_FOG_COLOR(i.fogCoord, res, fixed4(1,1,1,1));
				return res;
			}
			ENDCG
		}
	}
}

　　

优缺点

　　优点：

　　　　1.可控性强。可以看出我们可以控制在哪个区域、哪些物体、什么时间产生或更新阴影，也可以对阴影的质量进行控制（使用不同分辨率的RenderTexture）；

　　　　2.可以很方便的是实现模糊和软阴影（这个还没实践，不过因为我们可以取得阴影的rendertexture，所以完全可以实现）；

　　缺点：

　　　　1.很明显，产生阴影的物体不能接收阴影；

　　　　2.Unity3D 的Betch无法使用(因为要分层)；

工程源代码：https://github.com/xin-lover/ProjectorShadow

Unity3D AssetStore中有一个使用这种方法生成阴影的插件，做的比较完善，可以参考使用：Dynamic Shadow Projector.

参考博客：

　　1.https://yrsc.github.io/2018/03/Projector%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E4%BC%AA%E5%8A%A8%E6%80%81%E9%98%B4%E5%BD%B1/