【UE5】将2D切片图渲染为体积纹理，最终实现使用RT实时绘制体积纹理【第五篇-着色器投影-投射阴影部分】

🕗 发布于 2024-10-18 17:23 ue5 着色器虚幻4 虚幻引擎

投射阴影

最初打算将投影内容放在上一篇中，因为实现非常快速简单，没必要单独成篇。不过因为这里面涉及一些问题，我觉得还是单独作为一篇讲一下比较好。

原理

这里要用到的是 Shadow Pass Switch ,它可以为非不透明的材质替换阴影

某些版本UE只能搜中文"阴影通道切换"

在这里插入图片描述

简单的演示一下 Shadow Pass Switch 的功能
做一个这样的材质:

效果如下:

制作Shader

创建一个 Custom ，起名为 ShadowRayMarching ，输入节点如图，输出单通道
在这里插入图片描述

老样子，这些可以直接右键粘贴到输入:

((InputName="Tex"),(InputName="XYFrames"),(InputName="NumFrames"),(InputName="MaxSteps"),(InputName="StepSize"),(InputName="LightVector"),(InputName="CurPos"),(InputName="LocalObjectBoundsMax",Input=(OutputIndex=3,Mask=1,MaskR=1,MaskG=1,MaskB=1)))

代码如下：

float accumdens = 0;
for (int i = 0; i < MaxSteps; i++)
{
    float cursample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(CurPos), XYFrames, NumFrames).r;
    
    accumdens += cursample * StepSize ;
    CurPos -= LightVector * StepSize ; // 步进方向换成了 LightVector
}
//返回累计结果
return accumdens ;

是不是很熟悉，这就是我们梦开始的地方。还记得我们的起点吗，我们第一步就做了这样一个步进，只是当时是"从相机方向"进行步进。因为现在做的是阴影，也就需要改为从光源方向步进，因此代码中现在是:

CurPos -= LightVector * StepSize;//这里与之前不同

从相机方向步进:

从光源方向步进:

连接变量：
只有 ShadowMask_MaxSteps 是新建变量，其余都是已有变量，我们直接使用
将结果连入 BeersLaw （还记得吗，这是介质吸收），连到Mask输出打印看看（材质当然也换到了 已遮罩 ，因为现在是法线向内的模型，因此也要开启双面）

在这里插入图片描述

看看效果，这就是用来形成阴影的Mask

在这里插入图片描述

制作Mesh

到这一步，我们会遇到一个问题
我们目前使用的模型是法线向内的，如果不开启 双面 ，你看的实际会是这样：
在这里插入图片描述

背面透明的材质无法阻挡光照并投射阴影。
如果继续使用"双面"呢？
可惜投影是不区分 TwoSidedSign 的，实际上投影对很多东西都不支持，稍后会提到

创建双面材质
打光，可以看到正反面的不同并不会影响阴影

况且，由于体积渲染本身已经很耗资源，开启双面会导致性能难以接受。或者，你可能考虑使用 TwoSidedSign 来从视觉上剔除体积雾的“外部”渲染，但这对性能没有改善。

举例来说，这就像在计算 (1+2+3) * 0
虽然结果是 0 ,但 1+2+3 是会被计算的
简单的因果律

总之，这个办法是无论如何都行不通的。那么我们现在有两个选择:

两种方案

方案1

使用两个Cube模型：一个法线向内的，用来渲染体积；一个法线向外的，渲染阴影遮罩。然后将他们重叠放在一起。
你可以选择这种方法，这会让内外两个mesh有更为独立的静态网格体组件的控制。缺点是整合两个模型，需要制作一个Actor蓝图，类似这样：
在这里插入图片描述

方案2

和1的思路一样，制作一个 双面的模型，并为模型内外表面分别设置材质ID

为保证纯粹性，教程采用"方案2"

建立内外法线cube

在UE直接建模也是可以的，像之前一样
但我发现UE建模功能的更新频繁，用它做教程没啥制导意义，可能过几个版本就没人看得懂了，所以这次直接用3dsMax做演示

建立一个 100cm 长宽高的 box ，模型的轴在中心 。复制出一个，增加 法线 修改器翻转法线，现在我们拥有一正一反两个模型

2.分别为它们增加材质修改器，分别指定材质ID 1 和 2
（注意，图中两个都为1，是错的）
为他们增加平滑修改器，这是为了优化顶点数量
将它们移回中心，并选中两个模型，塌陷
创建多维子材质并赋予模型，这是为了导出时能正确导出材质ID。（图里给了一个切片，是为了让读者可以看到内外的不同材质。实际不要切哦！）
导出FBX并导入UE,注意不要开启这个模型的 Nanite ，可以看到两个材质通道(元素)

组合在一起

模型放入场景

将模型放入场景，注意要关掉 影响距离场光照
还记得吗，接收阴影 是使用距离场实现的，关掉它避免影响自身
创建子实例
1.为主材质 M_VolRayMarching 创建子材质 MI_VolRayMarching 。
2.再为子材质 MI_VolRayMarching 创建子材质 MI_VolRayMarching_Shadow 。

注意父子关系为:
M_VolRayMarching → MI_VolRayMarching → MI_VolRayMarching_Shadow

将 MI_VolRayMarching 放入法线向内的材质通道，MI_VolRayMarching_Shadow 放入法线向外的材质通道

制作材质

现在把主材质连接好，这个材质需要同时实现半透明和遮罩材质，并在子材质中切换：

主材质

直接看图:
在这里插入图片描述

增加 Static Switch Parameter 节点（图中1），起名为 IsShadow ，用来做子实例切换。
注意图中的"2"和"3"是不一样的，"2"是不透明度 Opacity，"3"是不透明蒙版 Opacity Mask。
主材质是半透明，因此"不透明蒙版"是灰色，但是同样需要连上。稍后会在子材质切换到Mask材质。
Switch节点是"Is Shadow"，因此下面的实现阴影的部分要连到True，如图中1，别连反了。
再最后检查一下材质设置:

子材质

MI_VolRayMarching 目前不需要修改，直接打开 MI_VolRayMarching_Shadow

勾选IsShadow
修改材质重载，混合模式改为遮罩
检查结果:

检查一下，可以看到，外层的Mask材质为我们投下阴影

Tip：
当你快速改变光照或者改变模型位置时，你可能会发现阴影更新不及时，这是阴影缓存造成的，将模型的阴影缓存无效化改为 始终

隐藏Mask材质

两套模型方案有所不同，

如果你选择的是另外一个方案(方案1)，也就是"内外是两个独立模型"的方案:
选择法线向外的模型，为其勾选 隐藏阴影 （它的意思是"隐藏时阴影"），关闭 可视
就可以在非可视情况投射阴影。

我没实际做方案1，因此下图中，对一个圆柱模型进行了设置，模型被隐藏了，但阴影还在：

这里使用老朋友Shadow Pass Switch
也就是在视图里，Default 输入的 Mask 值 0。阴影 Shadow 则使用我们制作的光线方向步进出来的蒙版(下图1)
留下debug
考虑到Debug，为了在需要的时候还能看到这个黑色的mask，这里做了一个切换，ShowShadowMask （上图2）

现在效果如下：

在这里插入图片描述
请添加图片描述
自阴影，接收投影，投射阴影，一切都OOKK的

Done

一些问题

投影的实现本身并不是一件简单的事情，因此我们这种快速实现方式也不可避免地存在一些缺点。
以下是一些试图修正这些问题的无用尝试和昂贵的方法
（也许在某次UE的版本更新后，这些方法会有变得有效。所以先记录下来）

当体积模型与物体穿插时，阴影会相接
在这里插入图片描述
为 MI_VolRayMarching_Shadow Debug一下

能看到这就是问题的原因

阴影是通过Mask实现，也就代表它无法使用 SceneDepth 等数据来修复(体积雾里我们使用了它)。

那如果使用距离场呢？
为 ShadowRayMarching 增加CameraPosWS输入
在这里插入图片描述
代码如下：

// 创建变量，累加步进过程中的总密度
float accumdens = 0;

// 使用 MaxSteps 作为最大步数进行循环，每次循环执行以下操作
for (int i = 0; i < MaxSteps; i++)
{
    // PseudoVolumeTexture 函数用于伪体积纹理采样，函数需要的参数在括号内传递
    float cursample = PseudoVolumeTexture(Tex, TexSampler, saturate(CurPos), XYFrames, NumFrames).r;

    // 使用距离场排除体积
    
    float3 RayPointPos = 2 * (CurPos - 0.5) * LocalObjectBoundsMax - 0.5 * 2;
    RayPointPos = LWCToFloat(TransformLocalPositionToWorld(Parameters,RayPointPos)) - CameraPosWS;
    // 在调用 GetDistanceToNearestSurfaceGlobal 时减去 CameraPosWS
    float SDFDistance = GetDistanceToNearestSurfaceGlobal(RayPointPos);
    if (SDFDistance < 0) break;
    

    accumdens += cursample * StepSize;

    // 为下次循环更新射线位置，沿着相机方向步进
    CurPos -= LightVector * StepSize;
}

// 返回累计结果
return accumdens;

这里添加了获取距离场的代码。在沿光线步进的过程中，一旦距离场小于0，就可以判断射线已到达表面，此时直接结束并退出射线，返回累积的体积密度结果。
效果如下：
在这里插入图片描述
可以看到蒙版确实表达了正确的深度。但意外的，阴影实际上未受影响。
Why？我们做一个快速的实验，制作一个这样简单的材质

能看到使用了距离场作为Mask的面片，未投下任何阴影，那么试着直接看看值
在这里插入图片描述

这就是根本原因，投影和距离场是冲突的