让物体投射阴影

ShaderLab实现

// 前向渲染下多光源的综合实现 + 阴影投射
Shader "Study/ShadowCaster"
{
    Properties
    {
        _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        // 高光反射颜色
        _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1,1,1,1)
        // 光泽度
        _SpecularLevel("SpecularLevel", Range(0, 255)) = 15
    }
    SubShader
    {
        // 基础渲染通道
        Pass
        {
            Tags
            {
                "LightMode" = "ForwardBase"
            }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 用于帮助编译所有变体
            #pragma multi_compile_fwdbase

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            // 材质漫反射颜色
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularLevel;

            // 顶点着色器传递给片元着色器的内容
            struct v2f
            {
                // 裁剪空间下的顶点坐标信息
                float4 pos: SV_POSITION;
                // 世界空间下的法线信息
                fixed3 wNormal : NORMAL;
                // 世界空间下的顶点坐标
                float3 wPos : TEXCOORD0;
            };

            // 计算兰伯特光照模型
            fixed3 getLamebrtColor(in float3 normal)
            {
                // 获取归一化的光源方向
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                fixed3 color = _LightColor0.rgb * _MainColor * max(0, dot(normal, lightDir));
                return color;
            }

            // 计算Phong式高光反射
            fixed3 getBlinnPhongSpecularColor(in float3 wVertexPos, in float3 wNormal)
            {
                // 获取标准化观察方向向量
                float3 viewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - wVertexPos;
                viewDir = normalize(viewDir);
                // 获取标准化反射方向向量
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float3 normal = UnityObjectToWorldNormal(wNormal);
                float3 halfAngle = normalize(lightDir + viewDir);
                fixed3 color = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(
                    max(0, dot(normal, halfAngle)), _SpecularLevel);
                return color;
            }

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f o;
                // 模型空间下的顶点转换到世界坐标系
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 计算兰伯特光照模型颜色
                fixed3 lambertColor = getLamebrtColor(i.wNormal);
                // 计算Phong式高光反射颜色
                fixed3 blinnPhongSpecularColor = getBlinnPhongSpecularColor(i.wPos, i.wNormal);
                // 光照衰减值
                fixed atten = 1;
                fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT + (lambertColor + blinnPhongSpecularColor) * atten;
                return fixed4(color.rgb, 1);
            }
            ENDCG
        }
        // 附加渲染通道
        Pass
        {
            Tags
            {
                "LightMode" = "ForwardAdd"
            }
            // 开启混合 线性减淡
            Blend One One

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 用于帮助编译所有变体
            #pragma multi_compile_fwdadd

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            // 材质漫反射颜色
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularLevel;

            // 顶点着色器传递给片元着色器的内容
            struct v2f
            {
                // 裁剪空间下的顶点坐标信息
                float4 pos: SV_POSITION;
                // 世界空间下的法线信息
                fixed3 wNormal : NORMAL;
                // 世界空间下的顶点坐标
                float3 wPos : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f o;
                // 模型空间下的顶点转换到世界坐标系
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 计算兰伯特光照模型颜色
                // 平行光
                #if defined(_DIRECTIONAL_LIGHT)
                    fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                #else // 点光源和聚光灯
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.wPos);
                #endif
                fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * _MainColor.rgb * max(
                    0, dot(normalize(i.wNormal), worldLightDir));
                // 计算Phong式高光反射颜色
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.wPos.xyz);
                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
                fixed3 blinnPhongSpecularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(
                    max(0, dot(normalize(i.wNormal), halfDir)), _SpecularLevel);
                // 光照衰减值
                #if defined(_DIRECTIONAL_LIGHT)
                    fixed atten = 1;
                #elif defined(_POINT_LIGHT) // 点光源
                    // 将世界坐标系下顶点转到点光源下
                    float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1)).xyz;
                    // 光照衰减纹理采样
                    fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).xx).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
                #elif defined(_SPOT_LIGHT)  // 聚光灯
                    float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1));
                    fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w *
                        tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).xx).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
                #else
                fixed atten = 1;
                #endif
                // 在附加渲染通道中不需要再加环境光颜色了 只需要计算一次 已经在基础渲染通道中渲染了
                return fixed4((lambertColor + blinnPhongSpecularColor) * atten, 1);
            }
            ENDCG
        }
        // 该Pass用于计算阴影
        Pass
        {
            Tags
            {
                "lightMode" = "ShadowCaster"
            }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 该编译指令告诉Unity编译器生成多个着色器变体 用于支持不同类型的阴影 SM SSSM等 可以确保着色器在所有可能的阴影投射模式下正确渲染
            #pragma multi_compile_shadowcaster

            #include "UnityCG.cginc"

            struct v2f
            {
                // 该宏为顶点到片元着色器阴影投射结构数据结构宏 定义了一些标准成员变量 用于在阴影投射路径中传递顶点数据到片元着色器
                V2F_SHADOW_CASTER;
            };

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f data;
                // 转移阴影投射器法线偏移宏 用于在顶点着色器中计算和传递阴影投射所需的变量
                // 主要做了 将对象空间的顶点位置转换为裁剪空间的位置
                // 考虑法线偏移 以减轻阴影失真问题 尤其是在处理自阴影时
                // 传递顶点的投影空间位置 用于后续的阴影计算
                TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(data);
                return data;
            }

            float4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 投射阴影片元宏
                // 将深度值写入到阴影映射纹理中
                SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i);
            }
            
            ENDCG
        }
    }

}

建议

由于投射阴影相关的代码较为通用，因此平时开发不需要自己去实现相关Shader代码，直接通过调用FallBack调用Unity中默认Shader中的相关代码即可

 FallBack "Specular"

让物体接受阴影

主要思路

所谓的投射阴影。就是让物体参与到光源的阴影映射纹理计算中，最终才能影响其他物体在接收阴影时的采样结果；

由此可见让物体接收阴影的主要思路就是要从阴影映射纹理中进行采样，然后将采样结果用于最终的颜色计算中；

ShaderLab实现

// 前向渲染下多光源的综合实现 + 接收阴影
Shader "Study/OpaqueShadowReceive"
{
    Properties
    {
        _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        // 高光反射颜色
        _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1,1,1,1)
        // 光泽度
        _SpecularLevel("SpecularLevel", Range(0, 255)) = 15
    }
    SubShader
    {
        // 基础渲染通道
        Pass
        {
            Tags
            {
                "LightMode" = "ForwardBase"
            }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 用于帮助编译所有变体
            #pragma multi_compile_fwdbase

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"

            // 材质漫反射颜色
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularLevel;

            // 顶点着色器传递给片元着色器的内容
            struct v2f
            {
                // 裁剪空间下的顶点坐标信息
                float4 pos: SV_POSITION;
                // 世界空间下的法线信息
                fixed3 wNormal : NORMAL;
                // 世界空间下的顶点坐标
                float3 wPos : TEXCOORD0;
                // 阴影坐标宏
                SHADOW_COORDS(2)
            };

            // 计算兰伯特光照模型
            fixed3 getLamebrtColor(in float3 normal)
            {
                // 获取归一化的光源方向
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                fixed3 color = _LightColor0.rgb * _MainColor * max(0, dot(normal, lightDir));
                return color;
            }

            // 计算Phong式高光反射
            fixed3 getBlinnPhongSpecularColor(in float3 wVertexPos, in float3 wNormal)
            {
                // 获取标准化观察方向向量
                float3 viewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - wVertexPos;
                viewDir = normalize(viewDir);
                // 获取标准化反射方向向量
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float3 normal = UnityObjectToWorldNormal(wNormal);
                float3 halfAngle = normalize(lightDir + viewDir);
                fixed3 color = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(
                    max(0, dot(normal, halfAngle)), _SpecularLevel);
                return color;
            }

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f o;
                // 模型空间下的顶点转换到世界坐标系
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                // 计算阴影映射纹理坐标 它会在内部计算 然后将其存入v2f中的SHADOW_COORDS中
                TRANSFER_SHADOW(o);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 计算兰伯特光照模型颜色
                fixed3 lambertColor = getLamebrtColor(i.wNormal);
                // 计算Phong式高光反射颜色
                fixed3 blinnPhongSpecularColor = getBlinnPhongSpecularColor(i.wPos, i.wNormal);
                // 阴影衰减值
                // 该宏会在内部利用v2f中的ShadowCoord对相关纹理进行采样 将采样得到的深度值进行比较 计算出阴影衰减值
                fixed3 shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);
                // 光照衰减值
                fixed atten = 1;
                fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT + (lambertColor + blinnPhongSpecularColor) * atten * shadow;
                return fixed4(color.rgb, 1);
            }
            ENDCG
        }
        // 附加渲染通道
        Pass
        {
            Tags
            {
                "LightMode" = "ForwardAdd"
            }
            // 开启混合 线性减淡
            Blend One One

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 用于帮助编译所有变体
            #pragma multi_compile_fwdadd

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            // 材质漫反射颜色
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularLevel;

            // 顶点着色器传递给片元着色器的内容
            struct v2f
            {
                // 裁剪空间下的顶点坐标信息
                float4 pos: SV_POSITION;
                // 世界空间下的法线信息
                fixed3 wNormal : NORMAL;
                // 世界空间下的顶点坐标
                float3 wPos : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f o;
                // 模型空间下的顶点转换到世界坐标系
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 计算兰伯特光照模型颜色
                // 平行光
                #if defined(_DIRECTIONAL_LIGHT)
                    fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                #else // 点光源和聚光灯
                    fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.wPos);
                #endif
                fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * _MainColor.rgb * max(0, dot(normalize(i.wNormal), worldLightDir));
                // 计算Phong式高光反射颜色
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.wPos.xyz);
                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
                fixed3 blinnPhongSpecularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(
                    max(0, dot(normalize(i.wNormal), halfDir)), _SpecularLevel);
                // 光照衰减值
                #if defined(_DIRECTIONAL_LIGHT)
                    fixed atten = 1;
                #elif defined(_POINT_LIGHT) // 点光源
                    // 将世界坐标系下顶点转到点光源下
                    float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1)).xyz;
                    // 光照衰减纹理采样
                    fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).xx).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
                #elif defined(_SPOT_LIGHT)  // 聚光灯
                    float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1));
                    fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w *
                        tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).xx).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
                #else
                    fixed atten = 1;
                #endif
                // 在附加渲染通道中不需要再加环境光颜色了 只需要计算一次 已经在基础渲染通道中渲染了
                return fixed4((lambertColor + blinnPhongSpecularColor) * atten, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Specular"
}

光照衰减和阴影

ShaderLab实现

// 前向渲染下多光源的综合实现 + 接收阴影 + 光照衰减
Shader "Study/LightAttenuation"
{
    Properties
    {
        _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        // 高光反射颜色
        _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1,1,1,1)
        // 光泽度
        _SpecularLevel("SpecularLevel", Range(0, 255)) = 15
    }
    SubShader
    {
        // 基础渲染通道
        Pass
        {
            Tags
            {
                "LightMode" = "ForwardBase"
            }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 用于帮助编译所有变体
            #pragma multi_compile_fwdbase

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"

            // 材质漫反射颜色
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularLevel;

            // 顶点着色器传递给片元着色器的内容
            struct v2f
            {
                // 裁剪空间下的顶点坐标信息
                float4 pos: SV_POSITION;
                // 世界空间下的法线信息
                fixed3 wNormal : NORMAL;
                // 世界空间下的顶点坐标
                float3 wPos : TEXCOORD0;
                // 阴影坐标宏
                SHADOW_COORDS(2)
            };

            // 计算兰伯特光照模型
            fixed3 getLamebrtColor(in float3 normal)
            {
                // 获取归一化的光源方向
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                fixed3 color = _LightColor0.rgb * _MainColor * max(0, dot(normal, lightDir));
                return color;
            }

            // 计算Phong式高光反射
            fixed3 getBlinnPhongSpecularColor(in float3 wVertexPos, in float3 wNormal)
            {
                // 获取标准化观察方向向量
                float3 viewDir = _WorldSpaceCameraPos.xyz - wVertexPos;
                viewDir = normalize(viewDir);
                // 获取标准化反射方向向量
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float3 normal = UnityObjectToWorldNormal(wNormal);
                float3 halfAngle = normalize(lightDir + viewDir);
                fixed3 color = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(
                    max(0, dot(normal, halfAngle)), _SpecularLevel);
                return color;
            }

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f o;
                // 模型空间下的顶点转换到世界坐标系
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                // 计算阴影映射纹理坐标 它会在内部计算 然后将其存入v2f中的SHADOW_COORDS中
                TRANSFER_SHADOW(o);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 计算兰伯特光照模型颜色
                fixed3 lambertColor = getLamebrtColor(i.wNormal);
                // 计算Phong式高光反射颜色
                fixed3 blinnPhongSpecularColor = getBlinnPhongSpecularColor(i.wPos, i.wNormal);
                // 阴影衰减值
                // 该宏会在内部利用v2f中的ShadowCoord对相关纹理进行采样 将采样得到的深度值进行比较 计算出阴影衰减值
                //fixed3 shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);
                // 光照衰减值
                //fixed atten = 1;
                UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.wPos);
                fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT + (lambertColor + blinnPhongSpecularColor) * atten;
                return fixed4(color.rgb, 1);
            }
            ENDCG
        }
        // 附加渲染通道
        Pass
        {
            Tags
            {
                "LightMode" = "ForwardAdd"
            }
            // 开启混合 线性减淡
            Blend One One

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 用于帮助编译所有变体
            //#pragma multi_compile_fwdadd
            #pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows
            
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"

            // 材质漫反射颜色
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularLevel;

            // 顶点着色器传递给片元着色器的内容
            struct v2f
            {
                // 裁剪空间下的顶点坐标信息
                float4 pos: SV_POSITION;
                // 世界空间下的法线信息
                fixed3 wNormal : NORMAL;
                // 世界空间下的顶点坐标
                float3 wPos : TEXCOORD0;
                // 阴影坐标宏
                SHADOW_COORDS(2)
            };

            v2f vert(appdata_base v)
            {
                v2f o;
                // 模型空间下的顶点转换到世界坐标系
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                // 计算阴影映射纹理坐标 它会在内部计算 然后将其存入v2f中的SHADOW_COORDS中
                TRANSFER_SHADOW(o);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 计算兰伯特光照模型颜色
                // 平行光
                #if defined(_DIRECTIONAL_LIGHT)
                    fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                #else // 点光源和聚光灯
                    fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.wPos);
                #endif
                fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * _MainColor.rgb * max(0, dot(normalize(i.wNormal), worldLightDir));
                // 计算Phong式高光反射颜色
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.wPos.xyz);
                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
                fixed3 blinnPhongSpecularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(
                    max(0, dot(normalize(i.wNormal), halfDir)), _SpecularLevel);
                // 光照衰减值
                //#if defined(_DIRECTIONAL_LIGHT)
                //    fixed atten = 1;
                //#elif defined(_POINT_LIGHT) // 点光源
                    // 将世界坐标系下顶点转到点光源下
                //    float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1)).xyz;
                    // 光照衰减纹理采样
                //    fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).xx).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
                //#elif defined(_SPOT_LIGHT)  // 聚光灯
                //    float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1));
                //    fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w *
                //        tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).xx).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
                //#else
                //    fixed atten = 1;
                //#endif
                UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.wPos);
                // 在附加渲染通道中不需要再加环境光颜色了 只需要计算一次 已经在基础渲染通道中渲染了
                return fixed4((lambertColor + blinnPhongSpecularColor) * atten, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Specular"
}