2026/7/26大约 5 分钟
实时阴影技术 - Shadow Map、PCF 与 PCSS
引言：实时阴影的主流是 Shadow Mapping
实时阴影几乎都基于 Shadow Mapping（阴影贴图）。核心思想一句话：
从光源视角渲染一遍深度，记录"光能照到的最近距离"；正式着色时，把像素变换到光源空间，比较它的深度与阴影贴图里的深度 —— 更远即在阴影中。
一、Shadow Map 基本流程
- ① 阴影 Pass：以光源为相机，只渲染深度，存入 Shadow Map。
- ② 主渲染：每个像素算出它在光源空间的深度，与 Shadow Map 中对应位置的深度比较。
二、经典瑕疵与对策
Shadow Map 是深度比较，受分辨率与精度限制，会产生几类典型瑕疵：
| 瑕疵 | 成因 | 对策 |
|---|---|---|
| 阴影痤疮（Shadow Acne） | 深度精度 + 自遮挡，表面自己给自己投影，出现摩尔纹/条纹 | 深度偏移（Depth Bias）：比较时加一点偏移；Normal Offset、斜率偏移（Slope-Scaled Bias） |
| Peter-Panning（悬浮） | 偏移过大，阴影与物体脱离，像"悬空" | 偏移调小；或渲染阴影时用正面剔除（cull front） |
| 锯齿（走样） | Shadow Map 分辨率不足，一个纹素覆盖多像素 | 提高分辨率、CSM、软阴影滤波 |
| 投影走样（Perspective Aliasing） | 近处需要高分辨率但均匀分配不够 | CSM（按距离分级） |
痤疮 vs Peter-Panning 是一对矛盾：偏移太小有痤疮，太大有悬浮 —— 需要折中，斜率偏移能缓解。
三、软阴影：PCF 与 PCSS
硬阴影边缘是硬的锯齿边；真实阴影有半影（penumbra），需要软化。
PCF（Percentage-Closer Filtering）
对 Shadow Map 在比较之后做多点采样取平均：采样阴影贴图周围多个纹素、各自做深度比较，再平均"在阴影中的比例" → 边缘柔和。
硬阴影：单次比较 → 0 或 1（硬边）
PCF： 周围 N×N 次比较 → 平均比例（柔和边）- 采样核越大越软，但开销越高。
- 注意是"先比较再平均"，不能直接平均深度值。
PCSS（Percentage-Closer Soft Shadows）
模拟真实的可变半影（靠近遮挡物阴影硬、远离软）：
- Blocker Search：估计遮挡物平均深度。
- Penumbra 估算：由光源大小、遮挡物与接收面距离，算出半影宽度。
- 可变核 PCF：按半影宽度动态调整 PCF 采样核。
效果更真实，但开销明显高于固定 PCF。
四、级联阴影贴图（CSM / CSSM）
平行光（太阳）覆盖整个视锥，单张 Shadow Map 分辨率远远不够 —— 近处糊、远处浪费。CSM 的解法：
把相机视锥按距离分成若干段（级联），每段用独立的 Shadow Map，近处段覆盖范围小、分辨率高，远处段覆盖大、分辨率低。
- 常用 3~4 级级联。
- 分割方式：对数分割、均匀分割，或两者混合（PSSM 实用分割）。
- 级联接缝：相邻级联过渡处可能有跳变，用混合过渡带平滑。
- 收益：把有限的阴影贴图分辨率"按需分配"给近处 —— 近处清晰、远处够用。
五、其它阴影技术（简述）
| 技术 | 思路 |
|---|---|
| VSM（Variance Shadow Map） | 存深度与深度平方，用切比雪夫不等式估阴影比例，天然可滤波（可做软阴影），但有漏光（light bleeding） |
| ESM（Exponential Shadow Map） | 用指数函数近似，减轻痤疮、可滤波 |
| 点光/聚光阴影 | 点光用 Cube Shadow Map（六面）；聚光用透视 Shadow Map |
| 接触阴影（Contact Shadow） | 屏幕空间光线步进补足小尺度接触阴影 |
| 光线追踪阴影 | 直接对光源投射光线，物理精确、软硬自然，但开销高（需 RT 硬件 + 降噪） |
六、性能与实践
- 阴影 Pass 是常见的 GPU 开销大户（性能分析里"阴影 Pass 重"那条）。优化点：
- 控制 Shadow Map 分辨率与级联数。
- 限制投射阴影的物体（远处/小物体不投）。
- 阴影距离（Shadow Distance）不要过大。
- 移动端谨慎用高分辨率 + 多级联（带宽/填充率）。
- 阴影与 PBR 光照在光照 Pass 中结合（可见性作为直接光的遮蔽项）。
七、核心概念速查
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| Shadow Map | 从光源视角渲染深度，比较深度判断阴影 |
| Shadow Acne | 自遮挡条纹，用 Depth/Normal/Slope Bias 缓解 |
| Peter-Panning | 偏移过大导致阴影悬浮 |
| PCF | 多点深度比较取平均，柔化边缘 |
| PCSS | 可变半影软阴影（Blocker Search + 可变核） |
| CSM | 按视锥距离分级，多张 Shadow Map 各管一段 |
| VSM/ESM | 可滤波阴影，支持软阴影，注意漏光 |
| Cube Shadow Map | 点光源的六面阴影贴图 |
总结
- Shadow Map 是实时阴影的事实标准，核心思路是从光源视角渲染深度并作逐像素深度比较。
- 经典瑕疵包括阴影痤疮、Peter-Panning 悬浮、锯齿和投影走样，分别通过深度偏移、正面剔除、CSM 等方式缓解。
- PCF 通过对阴影贴图多点采样并平均比较结果来生成软阴影边缘；PCSS 在此基础上加入可变半影估算，效果更真实。
- CSM 将视锥按距离分级，为近处分配更高分辨率的阴影贴图，是平行光阴影的关键优化手段。
- VSM、ESM、光线追踪阴影等技术在特定场景下各有优劣，需根据性能与质量需求权衡选择。