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阴影：shadow map、级联阴影、acne 与 bias

Unity 知识 · Shader 区域 · 光照与材质 · 第 5 篇 更新于 2026-10-15

实时阴影的本质是一次「从光源视角的深度比较」。理解了这一点，阴影拉丝、悬浮、远处消失这些现象全都能解释，也知道该调哪个参数。这篇从原理到 Unity 的级联实现，再到采样代码与调参。

shadow map：光源视角的深度图

两步完成：

  1. 深度预通道：从光源视角渲染场景，只写深度（这就是每个投影物体要跑 ShadowCaster Pass 的原因——它输出的 SV_POSITION 是光空间的裁剪位置，见 /notes/unity/principles-2/）。
  2. 光照通道：片元里把世界坐标变换到光空间，取 shadow map 里该纹素的深度 z_map，和自己的深度 z_me 比较：z_me > z_map + bias → 在阴影里。
// 概念代码：手动阴影采样
float4 shadowCoord = TransformWorldToShadowCoord(positionWS);
float zMap = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainLightShadowmapTexture, sampler_LinearClamp, shadowCoord.xy).r;
float zMe  = shadowCoord.z;
float inShadow = step(zMe - bias, zMap);   // 0 = 阴影

实际项目用引擎函数（见下文），但排查问题时要能画出这张图。

PCF：软阴影的第一层

shadow map 是离散的，硬比较会有锯齿。**PCF（Percentage Closer Filtering）**在周围取多个纹素分别比较，取「被遮挡比例」当阴影强度——硬件的线性过滤对深度值无效（深度不能插值比较），必须多次比较。软阴影质量 = 采样次数与半径，次数直接进性能账，见 /notes/unity/performance-1/。

级联（cascade）：远处的精度从哪来

一张 shadow map 覆盖整个视锥，远处纹素对应世界尺寸巨大，阴影糊成一片。Unity 的方向光把视锥按距离切成 2/4 段（cascade），每段各渲染一张 shadow map，近处 map 覆盖小范围所以精度高。shader 侧引擎自动选 cascade（UnityGlobalShadowParams 里带 cascade 计数与切换距离），手写全自定义光照时才需要自己处理。

调参直觉：

  • Shadow Distance（URP asset / Lighting 窗口）：超过这个距离不画实时阴影（转烘焙或无阴影）。调小省性能，远处角色阴影消失。
  • Cascade Count：4 → 2 省渲染开销，但 cascade 切换边界可能出现可见的清晰度跳变。
  • Cascade splits：各段距离配比，近段占比越大近处越锐。

acne 与 peter-panning：bias 的两端

Shadow acne（拉丝条纹）：深度比较在自遮挡曲面上因精度/纹素错位产生摩尔条纹——理论上物体遮挡自己。解法是 bias：比较时给 z_me 加一个小偏移。

Peter-panning（悬浮）：bias 过大，阴影整体脱离物体，角色像浮在空中。

现代引擎的三件套：

  • 固定 depth bias：小值，压掉大部分 acne。
  • Normal offset（法线偏移）：采样点沿表面法线挪一点再取深度——对斜面特别有效，比纯 depth bias 少悬浮。URP 灯光的「Bias / Normal Bias」就是这两个。
  • Slope-scaled bias：按表面斜率放大 bias（斜面需要更大偏移）。

调参顺序：Normal Bias 先给（如 0.5–2），Depth Bias 尽量小（0.02–0.1 量级），出现悬浮先减 Depth Bias 而不是加。

URP 里的正确写法

// 片元里（URP，Lighting.hlsl）
Light mainLight = GetMainLight();
float4 shadowCoord = TransformWorldToShadowCoord(positionWS);
half shadowAtt = MainLightRealtimeShadow(shadowCoord);   // 已含 PCF 与级联选择
float3 diffuse = lambert * mainLight.color * shadowAtt;  // 衰减乘进光照

自定义 shader 要同时提供 ShadowCaster Pass（带 Tags { "LightMode"="ShadowCaster" }）并加 #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS _MAIN_LIGHT_SHADOWS_CASCADE，否则引擎不会投影它 / 采样不到阴影——Pass 标签与 keyword 见 /notes/unity/engineering-1/、/notes/unity/engineering-3/。

阴影的其他代价与形态

  • 附加灯阴影：每盏带阴影的实时灯多一遍深度渲染 + 片元多一次采样，移动端通常只给主光实时阴影。
  • 接触阴影：脚下假阴影（blob shadow / 贴花）便宜且稳，角色游戏常用。
  • 烘焙阴影：静态物体的阴影烘进 lightmap/shadowmask，零运行时成本，见 /notes/unity/lighting-4/。

自检三问

  • 为什么线性过滤 shadow map 不能直接做软阴影，必须 PCF？
  • 角色阴影和脚之间有明显缝隙，先调哪个参数？
  • 自定义 shader 的物体不被投影，缺的两样东西是什么？