引言：从“手游阴影痛点”说起——为什么我要做这次技术尝试？
移动端实时渲染常面临两难：提高 ShadowMap 分辨率可提升阴影真实度，但会占用显存并降低帧率；降低分辨率则导致阴影出现“块状锯齿”和细节丢失，尤其在角色关节、发丝等部位效果不佳。
在开发一款面向中低端机型的移动端模拟人生类游戏时，我们遭遇了这一瓶颈。项目目标用户中约 10% 使用如红米 Note 8 等低端设备，这意味着必须将 ShadowMap 分辨率降至最低。传统的级联阴影或单独角色投影相机方案，要么效果有限，要么性能成本过高。
为此，我们重新定义美术对阴影质量的核心需求，归纳为两点：【光影过渡的平滑】与【阴影的柔性连续】。基于此，我们引入“球谐光照”技术，尝试不执着于提升 ShadowMap 分辨率，而是通过“低频信息重构”，让低分辨率采样也能输出自然的阴影效果。
本文分享的“角色中心点球谐投影渲染方式”将解答以下问题：
- 如何基于角色中心点从 ShadowMap 中采样，避开低分辨率的细节缺陷；
- 球谐投影如何将采样信息转化为平滑的低频阴影；
- 该方案在实际项目中如何落地。
核心概念解析：为什么“角色中心点”和“球谐投影”能解决问题？
在深入实现细节前，需明确两个关键概念及其针对低分辨率 ShadowMap 痛点的解决逻辑。
传统 ShadowMap 的痛点：“像素级采样”vs“角色阴影需求”
传统 ShadowMap 采用“逐像素判断”逻辑：先将场景渲染为深度图，再对比每个像素的深度值判断遮挡关系。在低性能设备上存在致命缺陷：
- 采样粒度粗糙：低分辨率下，一个 ShadowMap 像素对应屏幕多个像素，导致阴影边缘出现明显锯齿；
- 绘制开销过大：级联阴影需多次绘制，虽 Unity SRP Batcher 可合并 SetPassCall，但 DrawCall 数量过多仍会导致 CPU 瓶颈，影响低端机性能。
把“离散采样”变成“平滑光影”
球谐函数是一种用低频函数拟合复杂光影的工具。它无需存储每个像素的光影信息，仅通过几个基函数的组合即可近似还原大范围的平滑光影过渡。
形象地说，若将角色阴影视作一幅画，传统 ShadowMap 是“逐点画像素”，低分时会产生马赛克；而球谐投影则是“大笔触铺色”，先确定整体明暗渐变，即使原始采样点少，也能呈现自然过渡。这恰好契合我们用低频处理规避采样缺陷、保证阴影平滑度的需求。
技术实现逻辑
传统流程为：【光源视角投影】→【屏幕像素】→【采样 ShadowMap】。
本方案流程优化为：【光源视角投影】→【角色中心点】→【采样 ShadowMap 计算投影球谐编码】→【球谐编码关键帧平滑过渡】→【角色渲染投影】。
1. 确定角色中心点，做中心化采样而非逐像素采样
中心点定位：通常使用角色骨骼根节点作为中心点。若需更高精度，可区分肢体并进行球谐权重混合。本方案以角色中心点为例，从多方向采样主光源阴影信息。
资源申请：需申请三张 RenderTexture（RT）存储 9 位球谐编码（可压缩至 8 位）。注意在 RenderGraph 中，避免申请受 Graph 生命周期控制的 RT，以防无法跨帧使用。
（图示：绘制角色球谐编码的打码效果）
使用指定材质将每个角色的球谐编码信息绘制到三张 RT 上。
注：演示代码未极致优化，实际生产中可通过 DrawMeshInstanced 减少绘制次数，并利用反射桥接内部程序集避免数组传输开销。
采样策略：Shader 中采用斐波那契球面采样，以角色为中心均匀获取球面投影信息。
代码在球面上采样 16 个方向，计算各方向阴影衰减值并加权累加至球谐系数（SH 系数），用于重建阴影分布。特别引入poleBoost机制增强极区（Y 轴±1 方向）贡献，修正极区计算偏差。
为提升屏幕内角色精度，额外增加 16 次采样加权；屏幕外角色亦进行计算，以确保其进入屏幕时阴影过渡自然。最终返回 SH 编码。
（图示：片元阶段返回的数据结构）
因返回多值数据，需开启多渲染目标（MRT）。
2. 球谐编码平滑过渡
单帧采样存在两个问题：一是每帧采样性能未达最优；二是实时更新会导致投影快速跳变。因此需对球谐编码进行平滑过渡处理。
平滑过渡需两组数据（A/B）交替更新，故实际申请 6 张 RenderTexture。
运行时两组纹理随时间交替切换：
（图示：C#端数据交替逻辑）
（图示：Shader 中进行线性插值 Lerp）
注：生产环境可使用 MRT 的 DrawMesh 进一步减少绘制次数。
最终将生成的球谐阴影贴图设置为全局变量，供后续角色渲染流程调用。
3. 最终角色采样
在角色进行阴影衰减（ShadowAttenuation）计算时，替换原有方法为本方案逻辑。自阴影部分保持原样，仅取代投影部分，即可实现平滑阴影效果。
（注：受限于项目保密要求，暂无法展示最佳效果图，后续补充。）
技术边界与适用场景：什么时候该用这个方案？
任何技术均有适用范围，需明确其局限性以避免盲目套用。
1. 适用场景（强烈推荐）
- 移动端/低性能平台实时角色渲染：针对低端机型占比高的手游，该方案能在 ShadowMap 分辨率受限的情况下，有效平衡画质与帧率；
- 追求“平滑阴影”而非“极致细节”的场景：如卡通风格、低多边形风格角色，平滑的低频阴影更符合其艺术风格，无需发丝级细节；
- 大场景中“远处角色”的阴影优化：远处角色屏幕占比小，无需高分辨率阴影，该方案可降低渲染开销，提升整体帧率（但距离过远时可考虑直接剔除阴影）。
2. 不适用场景（谨慎选择）
- PC/主机端 3A 游戏：此类平台硬件性能强劲，支持高分辨率 ShadowMap 及光线追踪，无需牺牲细节换取性能；
- 需要“精确硬阴影”的场景：如工业设计可视化、建筑效果图等要求阴影边缘绝对锐利的场景，球谐投影的平滑特性会导致画面模糊。
总结：从“低频投影”看实时渲染的优化思路
本方案的核心逻辑与行业主流优化思路一致：“抓核心需求，放弃无关细节”。
无论是"AI 渲染优化”生成低频信息补充高频细节，还是“光照烘焙 + 实时动态光照”混合方案预计算低频光照，本质都是对高频与低频信息的拆分处理。
对于实时渲染项目，比掌握单一技术更重要的是：
- 明确场景核心需求：厘清画质与性能的优先级，洞察美术需求的底层逻辑与共性问题；
- 拆分“高频”与“低频”信息：识别哪些效果需逐像素高精度计算，哪些可用低成本方式拟合；
- 敢于“做减法”：在性能与画质间寻找最佳平衡点。本方案即以少量细节损失换取大幅性能提升，在移动端场景中极具价值。
作者：七夜大黑喵
原文来源：知乎专栏
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