UnityShader入门精要——透明物体阴影

透明度测试：

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 9/Alpha Test With Shadow" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_Cutoff ("Alpha Cutoff", Range(0, 1)) = 0.5
	}
	SubShader {
		Tags {"Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="TransparentCutout"}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			Cull Off
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma multi_compile_fwdbase
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			#include "AutoLight.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _Cutoff;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
				SHADOW_COORDS(3)
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
			 	v2f o;
			 	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
			 	
			 	o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
			 	
			 	o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

			 	o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
			 	
			 	// Pass shadow coordinates to pixel shader
			 	TRANSFER_SHADOW(o);
			 	
			 	return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

				clip (texColor.a - _Cutoff);
				
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
							 	
			 	// UNITY_LIGHT_ATTENUATION not only compute attenuation, but also shadow infos
				UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);
			 	
				return fixed4(ambient + diffuse * atten, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Transparent/Cutout/VertexLit"
}

对于大多数不透明物体来说，把Fallback设为VertexLit就可以得到正确的阴影。但对于透明物体来说，我们就需要小心处理它的阴影。透明物体的实现通常会使用透明度测试或透明度混合，我们需要小心设置这些物体的Fallback。

透明度测试的处理比较简单，但如果我们仍然直接使用VertexLit、 Diffuse、 Specular 等作为回调，往往无法得到正确的阴影。这是因为透明度测试需要在片元着色器中舍弃某些片元，而VertexLit中的阴影投射纹理并没有进行这样的操作。

为了让使用透明度测试的物体得到正确的阴影效果，我们只需要在UnityShader中更改一行代码，即把Fallback设置为Transparent/Cutout/VertexLit。它的ShadowCaster Pass也计算了透明度测试，因此会把裁剪后的物体深度信息写入深度图和阴影映射纹理中。但需要注意的是，由于Transparent/Cutout/VertexLit中计算透明度测试时，使用了名为_Cutoff 的属性来进行透明度测试，因此，这要求我们的Shader中也必须提供名为_Cutoff的属性。否则，同样无法得到正确的阴影结果。

但是，这样的结果仍然有一些问题，例如出现了一些不应该透过光的部分。（如下左图）出现这种情况的原因是，默认情况下把物体渲染到深度图和阴影映射纹理中仅考虑物体的正面。但对于本例的正方体来说，由于一些面完全背对光源，因此这些面的深度信息没有加入到阴影映射纹理的计算中。为了得到正确的结果，我们可以将正方体的MeshRenderer组件中的CastShadows属性设置为Two Sided,强制Unity在计算阴影映射纹理时计算所有面的深度信息。（如下右图）

 透明度混合：

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 9/Alpha Blend With Shadow" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_AlphaScale ("Alpha Scale", Range(0, 1)) = 1
	}
	SubShader {
		Tags {"Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			ZWrite Off
			Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma multi_compile_fwdbase
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			#include "AutoLight.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _AlphaScale;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
				SHADOW_COORDS(3)
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
			 	v2f o;
			 	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
			 	
			 	o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
			 	
			 	o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

			 	o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
			 	
			 	// Pass shadow coordinates to pixel shader
			 	TRANSFER_SHADOW(o);
			 	
			 	return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
				
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));

			 	// UNITY_LIGHT_ATTENUATION not only compute attenuation, but also shadow infos
				UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);
			 	
				return fixed4(ambient + diffuse * atten, texColor.a * _AlphaScale);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Transparent/VertexLit"
	// Or  force to apply shadow
//	FallBack "VertexLit"
}

与透明度测试的物体相比，想要为使用透明度混合的物体添加阴影是一件比较复杂的事情。事实上，所有内置的透明度混合的Unity Shader,如Transparent/VertexLit等，都没有包含阴影投射的Pass。这意味着，这些半透明物体不会参与深度图和阴影映射纹理的计算，也就是说，它们不会向其他物体投射阴影，同样它们也不会接收来自其他物体的阴影。（如下左图）

由于透明度混合需要关闭深度写入，由此带来的问题也影响了阴影的生成。总体来说，要想为这些半透明物体产生正确的阴影，需要在每个光源空间下仍然严格按照从后往前的顺序进行渲染，这会让阴影处理变得非常复杂，而且也会影响性能。因此，在Unity中，所有内置的半透明Shader是不会产生任何阴影效果的。当然，我们可以强制为半透明物体生成阴影，这可以通过把它们的Fallback 设置为VertexLit、Diffuse 这些不透明物体使用的Unity Shader,这样Unity就会在它的Fallback找到一个阴影投射的Pass。然后，我们可以通过物体的Mesh Renderer 组件上的Cast Shadows 和Receive Shadows选项来控制是否需要向其他物体投射或接收阴影。（如下右图）