【Unity】デプスシャドウ技法を自前で書いて影を落としてみる

こんにちは、Unityエンジニアのオオバです。

光のあたったオブジェクトは地面に影を落とします。
当たり前の現象ですが、この当たり前をUnityは
ShadowCasterと呼ばれる機能で簡単に実装できます。

ShadowCasterに頼らず、
自前で影を描画して調べました。

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Unityの影はデプスシャドウ技法を使っている
1.生成したライト深度テクスチャをシェーダーに渡す
2.`ライト視点射影変換行列`をシェーダーに渡す
3.`ライト視点射影変換行列`で変換した座標をフラグメントシェーダーに渡す
4.フラグメントシェーダー内でデプス値を比較
まとめ : Unity デプスシャドウ技法を自前で書いて影を落としてみる

Unityの影はデプスシャドウ技法を使っている

UnityのShadowCasterを設定した場合に落ちる影は、
デプスシャドウ技法 と呼ばれる方法で実装されています。

デプスシャドウ技法 とは、
ライトから見た情報を使った技法です。

ライトから見た情報とは、
ライトから見た深度情報（Zバッファ） です。
（以下:ライト深度バッファと呼ぶ）

ライト深度バッファと描画するピクセルの距離を比較します。
ライト深度バッファに書き込まれた深度と、
描画するピクセルからライトまでの距離が一致する場合は
光があたっているということです。

つまり影ではない。

逆に距離が一致しない場合は影だということ。

執筆時点でメジャーな描画方法です。

ここから実装の解説に入ります。
ライト深度バッファはテクスチャ（ライト深度テクスチャ）に
書き込んで処理しています。

処理の流れ

生成したライト深度テクスチャをシェーダーに渡す
ライト視点射影変換行列をシェーダーに渡す
ライト視点射影変換行列で変換した座標をフラグメントシェーダーに渡す
フラグメントシェーダー内で深度値を比較して影描画

1.生成したライト深度テクスチャをシェーダーに渡す

深度テクスチャ生成にはCameraコンポーネントが必須です。

※Unite2017でUnityの中の人に教えてもらいました

デプスシャドウ技法の理解が大事なのでカメラを無駄に1つ使っています。

まずはRenderTexutureにライト深度バッファを書き込み、
ライト深度テクスチャを作る必要があります。

以下手順です。

ライト深度テクスチャ生成用のCameraをライトのGameObjectに追加（以降:ライトカメラ）
DepthTextureフォーマット のRenderTextureを予め生成
ライトカメラ のTargetTextureにRenderTextureをセット

このようにしてライト深度テクスチャを作詞しました。

画面左上にuGUIでDepthTextureをデバッグ表示したキャプチャ

2.,[object Object],をシェーダーに渡す

var lightVMatrix = lightCamera.worldToCameraMatrix;  
var lightPMatrix = GL.GetGPUProjectionMatrix(cam.projectionMatrix, false);  
var lightVP = lightPMatrix * lightVMatrix;  

// [-1, 1] => [0, 1]に補正する行列  
var biasMat = new Matrix4x4();  
biasMat.SetRow(0, new Vector4(0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f));  
biasMat.SetRow(1, new Vector4(0.0f, 0.5f, 0.0f, 0.5f));  
biasMat.SetRow(2, new Vector4(0.0f, 0.0f, 0.5f, 0.5f));  
biasMat.SetRow(3, new Vector4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f));  
// ライト視点射影変換行列をシェーダーに渡す  
m_mat.SetMatrix("_LightVP", biasMat * lightVP);

ライトカメラ（変数lightCamera）を使って
ライト視点射影変換行列lightVPを作ります。

ライト深度テクスチャを使って影を描画するわけですが、ここで工夫が必要です。
頂点シェーダー内でlightVPと各頂点を乗算し、クリッピング座標に変換します。

クリッピング座標のX軸とY軸の範囲は[-1.0 ~ 1.0]。

ライト深度テクスチャをオブジェクトに投影するには、
[0.0 ~ 1.0]のUV座標系に変換しなければ、きれいに投影できません。

サイズを半分
0.5正の方向へずらす

行列biasMatで↑の補正をかけています。

このタイミングのライト深度テクスチャを
オブジェクトに投影するとこんな感じです。

3.,[object Object],で変換した座標をフラグメントシェーダーに渡す

o.shadowVertex = mul(_LightVP, v.vertex);

頂点シェーダーでライト視点射影変換行列で座標変換し、
予め定義したshadowVertexに代入して
フラグメントシェーダーへ渡します。

o.shadowVertexのxとy要素が、
ライト深度テクスチャののUV座標になります。

4.フラグメントシェーダー内でデプス値を比較

float4 lightDepth = tex2D(_LightDepthTex, i.shadowVertex.xy);  

float diff = i.shadowVertex.z - lightDepth.r;  
if (diff >= 0)  
{
    shadowRatio = _ShadowValue;  
}