再聊阴影裁剪与高性能视锥剔除

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一、实际需求

因为项目的树与草都采用Compute Shader剔除的GPU Instance绘制，所以需要自己实现阴影投递物的裁剪方法。也就是每一帧具体让哪些物体绘制ShadowMap。该计算的精确性会很影响树（有大量顶点又需要用AlphaTest镂空）的渲染性能。之前实现了一版《阴影视锥裁剪实现》，是在世界空间暴力计算，不算直观，也不精巧。最近有一种非常不错又好理解的新思路，所以再分析一次。

二、主要思路

• 把物体的AABB的8个顶点转到灯光空间，重新计算出AABB（与灯光空间xyz轴平行）。
• 把视锥的6个平面与AABB也转到灯光空间。
• 如果物体AABB的max.z < 视锥AABB的max.z，则把物体AABB的max.z设置为视锥AABB的max.z（这里是比较巧妙一步，解决了本身在视锥外但投影在视锥内的物体）。

满足以上三步后，只要做普通视锥与AABB裁剪就行了，效果演示如下：

视频网址：https://uwa-ducument-img.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/Blog/%20USparkle_FrustumCulling/1.mp4

期间也尝试过一种裁剪计算量更小但精确度稍差一点的思路，就是在灯光空间下取消z判断，当作2D几何，求交。那么计算量会小很多。主体思想和这套相同，可根据实际项目来判断要省裁剪性能还是提示裁剪精度。演示如下：

视频网址：https://uwa-ducument-img.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/Blog/%20USparkle_FrustumCulling/2.mp4

三、代码解释

为了方便自己与其他人验证算法，一般用C#实现，等落地时再转Compute Shader。为了代码清晰，一些不复杂的计算直接用Unity的API。做Compute Shader时需要实现这些基础函数，都能找到这种标准件代码。

1. 视锥转换
把视锥体转到灯光空间，并绘制出5个视锥平面的法线（仅调试平面法线方向用），一般为了通用性视锥按6个平面处理，实际绝大部分项目，NearClip都靠近0，当作一个锥体处理。转换的方式比较简单每个点通过灯光矩阵转完 重新计算AABB即可。

灯光空间下 视锥体AABB

2. 对象转换
把投影对象AABB也转到灯光空间，转换方法和视锥那个一样，不过要转8个顶点，并做z轴方向延长。延长后的体积，就是整个阴影有效范围。这里可以做一个小优化，如果最小的z比相机最大的z还大就不用计算了，说明在相机外侧且远离灯光的方向，不可能投影入可见区域。

四、再谈视锥裁剪

这样在转换后做正常视锥裁剪就行，而这部分技术就非常普遍成熟。但写这篇主要是为了分享一种非常规裁剪，用于对树这种少裁剪一棵就影响帧数的项目，会比普通裁剪精确很多。

先看两种裁剪对比效果：

普通视锥裁剪

本方案裁剪

普通裁剪是比较保守但偏向正确和低复杂度的模式，就是要存在至少一个视锥平面，让这AABB的8个点同时在这个平面的外部。所以整体在视锥外部，但不同顶点在不同平面外部的情况就剔除不了。比如下图，没有任何一个平面可以让所有点都满足在它的外侧。

普通裁剪逻辑代码

不满足裁剪条件但应用剔除的情况

这是因为这种方式区分不了上图与下图2种不同情况，为了画面不出错只能选择保守处理：

不满足裁剪条件但不应用剔除的情况

五、精确裁剪推导

这部分逻辑属于功能扩展，如果不是有优化渲染性能要求，不需要了解这部分，直接用常规裁剪就好了。

首先做视锥AABB与物体AABB重叠检测，这不满足，肯定剔除（偏保守，但能加速淘汰）。

我们把物体AABB，与视锥重叠的方式分为2类：

1. 物体AABB与视锥4个侧面三角形发生碰撞的重叠类型。
2. 物体AABB不与视锥4个侧面三角形发生碰撞的重叠类型。

物体AABB与视锥4个侧面三角形发生碰撞的重叠类型

物体AABB不与视锥4个侧面三角形发生碰撞的重叠类型

可以这样归纳两类，如果重叠，那么不是物体AABB与视锥4个三角形碰撞，就是物体AABB有个角点在视锥内。

因为不存在只与远平面碰撞而同时又没有顶点在视锥体内的情况。因为这时候AABB会穿透视锥体，而视锥体是封闭多面体，这种时候一定会再与四个侧面发生碰撞，所以可归到第一类里。

对应的代码如下。其中三角形与AABB碰撞函数，是用GitHub上cginc文件改的，后面落地Compute Shader还能直接用它。
https://github.com/bonzajplc/AABB_Tri.compute/blob/master/AABB_Tri.cginc

解决普通视锥裁剪的问题

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