Schatten gehören zu den Details, die einer 3D-Szene Bodenhaftung und Glaubwürdigkeit verleihen – und zugleich zu denen, bei denen Fehler am leichtesten ins Auge fallen. Dieses Update macht die Schatten der Sonne stabiler, sauberer und deutlich leichter einstellbar und bringt dieselben Verbesserungen auch für Spot-, Punkt- und Flächenlichter.

Kurz zusammengefasst:

• Stabile Kaskaden. Schatten gerichteter Lichtquellen flimmern nicht mehr, wenn sich die Kamera bewegt oder dreht.
• Intelligenterer Bias. Eine einzige Einstellung, gemessen in Shadow-Map-Texeln, funktioniert von der nächsten bis zur fernsten Kaskade.
• Nahtlose Lichter. Punktlichter verlieren ihre Würfelnähte, und Spot-, Punkt- und Flächenlichter teilen sich das neue Bias-Modell.
• Mehr Kontrolle. Wählen Sie 1 bis 4 Kaskaden, wie sie aufgeteilt und angepasst werden und wie oft die fernen aktualisiert werden.
• Besseres Debugging. Sehen Sie jede Kaskade und die Texeldichte direkt im Viewport.

In diesem Artikel

• Warum Schatten wichtig sind
• Wie funktioniert ein Echtzeitschatten?
  • Und was ist mit Raytracing- und Pathtracing-Schatten?
• Das Sonnenproblem und Kaskaden
• Wo der bisherige Ansatz an seine Grenzen stieß
• Was ist neu
  • Kaskaden, die nicht mehr flimmern
  • Ein Bias, der Ihre Szene versteht
  • Spot-, Punkt- und Flächenlichter
  • Einstellbare Kaskaden
  • Besseres Debugging
• Sehen Sie den Unterschied
• Erste Schritte
• Upgrade von der vorherigen Version
• Probieren Sie es aus und sagen Sie uns Ihre Meinung

Warum Schatten wichtig sind

Entfernen Sie die Schatten aus einer Szene, und alles scheint zu schweben. Objekte verlieren ihre Verbindung zum Boden, Tiefe ist schwerer zu erfassen, und die Beleuchtung wirkt flach. Ein guter Schatten zeigt Ihnen, wo sich Dinge befinden, wie groß sie sind und woher das Licht kommt.

Ein schlechter Schatten fällt ebenso auf. Kanten, die bei Kamerabewegungen wandern, Streifen auf einer Oberfläche oder ein Schatten, der sich vom werfenden Objekt löst – all das zerstört die Illusion sofort. Genau das nimmt dieses Release ins Visier.

Wie funktioniert ein Echtzeitschatten?

Echte Schatten entstehen, weil Licht blockiert wird, doch ein Echtzeit-Renderer verfolgt kein Licht. Er nutzt einen günstigeren und sehr wirkungsvollen Trick, die sogenannte Shadow Map:

1. Aus Sicht des Lichts. Wir rendern die Szene aus dem Blickwinkel des Lichts, speichern aber für jedes Pixel nur die Entfernung zur nächstgelegenen Oberfläche. Das Ergebnis ist die Shadow Map.
2. Aus Sicht der Kamera. Für jedes Pixel auf dem Bildschirm ermitteln wir, wo es aus Sicht des Lichts liegt, und vergleichen seine Entfernung mit dem Wert, den die Shadow Map aufgezeichnet hat.
3. Entscheiden. Wurde etwas näher am Licht aufgezeichnet, liegt das Pixel im Schatten. Andernfalls ist es beleuchtet.

Der Haken: Eine Shadow Map ist eine Textur mit fester Auflösung. Stellen Sie sie sich als niedrig aufgelöstes Foto der Szene vor, aufgenommen aus Sicht des Lichts. Fast jede Schattentechnik ist ein Weg, das Beste aus dieser begrenzten Auflösung herauszuholen.

Und was ist mit Raytracing- und Pathtracing-Schatten?

Shadow Maps sind eine Näherung, daher ist die Frage berechtigt, warum wir das Licht nicht einfach verfolgen. Auf GPUs mit Hardware-Raytracing ist das möglich: Man schickt von jedem sichtbaren Punkt einen Strahl in Richtung Licht, und wenn etwas im Weg ist, liegt der Punkt im Schatten. Es gibt keine Texturauflösung, die ausgehen könnte, also keine Blockartefakte, keine Acne und kein Peter-Panning, und weiche Schatten werden präzise berechnet. Pathtracing geht noch weiter und verfolgt viele zufällige Lichtpfade, während sie durch die Szene reflektiert werden, sodass Schatten, Reflexionen und indirekte Beleuchtung aus demselben Prozess hervorgehen. Das Pathtracer-Beispiel von Evergine zeigt, wie das aussieht.

Der Preis ist die Performance. Ein sauberes Bild erfordert in jedem Frame mehrere Strahlen pro Pixel, meist gefolgt von einem Denoiser. Die Szene benötigt eine Beschleunigungsstruktur, die neu aufgebaut werden muss, wenn sich Objekte bewegen. Und Strahlen streuen in alle Richtungen, was den GPU-Speicher weit stärker belastet als das Rasterisieren von Dreiecken in eine Textur. Selbst High-End-Desktop-GPUs gehen sparsam mit ihren Strahlen um, und die meisten Smartphones, Tablets und Einsteigergeräte haben überhaupt kein Hardware-Raytracing.

Deshalb sind Shadow Maps nach wie vor das Arbeitspferd für Echtzeitschatten: Sie sind günstig, vorhersehbar und laufen auf praktisch jedem Gerät. Raytracing ist eine hervorragende Option, wo die Hardware es zulässt, doch Shadow Maps sorgen dafür, dass eine Szene überall sonst läuft – und deshalb investieren wir weiter in sie.

Das Sonnenproblem und Kaskaden

Ein gerichtetes Licht steht für die Sonne, und die Sonne beleuchtet alles. Eine einzelne Shadow Map müsste die gesamte sichtbare Welt abdecken. Eine über Hunderte Meter gestreckte Textur ergäbe also blockige Schatten direkt vor dem Spieler, wo Details am wichtigsten sind.

Die klassische Lösung sind Cascaded Shadow Maps. Wir teilen die Ansicht nach Entfernung von der Kamera in Abschnitte auf: einen kleinen Abschnitt nahe bei Ihnen, einen größeren dahinter und so weiter. Jeder Abschnitt erhält eine eigene Shadow Map, sodass nahe Schatten scharf und ferne gröber sind. Weit entfernte Dinge sind auf dem Bildschirm klein, daher fällt das kaum auf.

Evergine verwendete bereits Kaskaden. Im neuen Release geht es darum, dass sie sich besser verhalten.

Wo der bisherige Ansatz an seine Grenzen stieß

Drei Probleme traten immer wieder auf:

• Flimmern. Jede Kaskade wurde anhand der Kamera ausgerichtet. Drehte sich die Kamera, verschob sich das Raster der Shadow Map über die Welt. Schattenkanten wanderten und glitzerten.
• Acne und schwebende Schatten. Da eine Shadow Map ein Raster aus Abtastwerten ist, kann eine Oberfläche sich fälschlicherweise selbst verschatten und Streifen zeigen (Shadow Acne). Das übliche Gegenmittel ist ein kleiner Bias, doch ein einzelner fester Wert passt nicht zu jeder Kaskade. Zu wenig hinterlässt Streifen bei flachen Einfallswinkeln, zu viel löst den Schatten von seinem Werfer (Peter-Panning), vor allem in den fernen Kaskaden.
• Wenig Spielraum zum Einstellen. Die Anzahl der Kaskaden war auf vier festgelegt, mit begrenzter Kontrolle über ihre Verteilung.

Neuerungen

Kaskaden, die nicht mehr flimmern

Der Schattenraum hängt jetzt nur noch von der Ausrichtung des Lichts ab, nicht davon, wohin die Kamera blickt. Jede Kaskade wird zudem am Texelraster der Shadow Map ausgerichtet, und ihre Größe ändert sich nur in kleinen Schritten von etwa 2 %. Dadurch ändert eine Bewegung oder Drehung der Kamera nicht mehr, welcher Texel welchen Teil der Welt abdeckt, und das Flimmern ist verschwunden.

Ein Bias, der Ihre Szene versteht

Der Bias wird jetzt im World Space angewendet und in Shadow-Map-Texeln gemessen. Zwei neue Eigenschaften, ShadowDepthBias und ShadowNormalBias, skalieren automatisch mit der Texelgröße jeder Kaskade und mit der Weichheit des Schattenfilters. Eine einzige Einstellung verhält sich jetzt von der nächsten bis zur fernsten Kaskade sinnvoll, wodurch die Acne-Streifen bei flachen Winkeln und die schwebenden Schatten in der Ferne verschwinden.

Spot-, Punkt- und Flächenlichter

Das texelbasierte Bias-Modell ist nicht auf die Sonne beschränkt. Auch Spot-, Punkt- und Flächenlichter verwenden es jetzt, sodass ShadowDepthBias und ShadowNormalBias bei jedem Lichttyp dasselbe bedeuten. Dabei haben wir zwei Probleme behoben:

• Acne-Ringe auf Oberflächen, die von der Projektionsachse eines Lichts abgewandt sind.
• Sichtbare Nähte bei Punktlichtern. Ein Punktlicht verwendet sechs Shadow Maps, eine pro Würfelfläche, und der Filter las entlang der Kanten fehlerhafte Daten. Jede Fläche wird jetzt etwas breiter als 90 Grad gerendert, mit einem Rand von 8 Texeln, sodass sich benachbarte Flächen überlappen und die Nähte verschwinden. Diese Korrektur betrifft nur Punktlichter.

Einstellbare Kaskaden

Gerichtete Lichter legen jetzt die Kompromisse zwischen Qualität und Performance offen:

• Anzahl der Kaskaden: von 1 bis 4, wobei jedes Licht nur die Shadow Maps belegt, die es benötigt.
• Split Mode: Automatic mischt eine logarithmische und eine gleichmäßige Verteilung, gesteuert über GammaDistribution. Mit Manual legen Sie selbst fest, wo jede Kaskade endet.
• Fit Mode: Stable (Standard) passt jede Kaskade an eine Kugel um ihren Abschnitt an, sodass sich die Texelgröße nie ändert. Tight verwendet stattdessen einen Quader und liefert etwa 20 % kleinere Texel, allerdings um den Preis eines gewissen Flimmerns, wenn sich die Kamera dreht.
• Selection Mode: Wählen Sie die Kaskade jedes Pixels nach Sichttiefe oder nehmen Sie die erste (schärfste) Kaskade, die es enthält, sodass mehr Pixel die hochaufgelösten Maps verwenden.
• Kaskadenüberblendung und Schatten-Fade: Benachbarte Kaskaden können ineinander übergehen, und Schatten können vor der maximalen Schattendistanz sanft ausblenden, statt abrupt abzubrechen.
• Aktualisierungsintervall der fernen Kaskaden: Ferne Schatten ändern sich langsam, daher können die fernen Kaskaden alle N Frames neu gerendert werden. Die Engine behält die zwischengespeicherten Maps bei, solange Kamera und Licht innerhalb einer Toleranz bleiben, was die Kosten des Schatten-Passes senkt.

Hinweis: Das Aktualisierungsintervall hat keine Wirkung, wenn ein Licht von mehreren Kameras gerendert wird.

Besseres Debugging

Der Debug Mode für Lichter zeigt jetzt die Farbe jeder Kaskade (und bei Punktlichtern jeder Würfelfläche) sowie ein Schachbrettmuster aus 8x8 Shadow-Map-Texeln, sodass Sie genau sehen, wie dicht Ihre Schatten auf dem Bildschirm sind. Auch Spotlichter erhalten einen eigenen DebugMode.

Außerdem haben wir verwandte Probleme behoben: Die Distanzen der Kaskadenaufteilung verwenden jetzt die korrekte Formel, orthografische Kameras mit einer Near Plane von null erzeugen keine ungültigen Aufteilungen mehr, und beim Rendern mehrerer Kameras mit mehreren schattenwerfenden gerichteten Lichtern überschreiben sich die Lichter nicht mehr gegenseitig ihre Shadow Maps. Die Backends behandeln Depth Clamping einheitlich, sodass Objekte vor einer Kaskade nicht mehr abgeschnitten werden.

Sehen Sie den Unterschied

Ziehen Sie den Schieberegler, um das bisherige Schattensystem mit dem neuen in derselben Szene und Kameraposition zu vergleichen.

Erste Schritte

Sie können alles im Editor oder im Code anpassen. Die folgenden Werte sind beispielhafte Ausgangspunkte – stimmen Sie sie auf Ihre Szene ab:

// Get the directional light of your sun entity
var sun = sunEntity.FindComponent<DirectionalLight>();

sun.IsShadowEnabled = true;
sun.ShadowDistance = 100;                   // How far from the camera shadows are rendered
sun.ShadowCascadeCount = 3;                 // Between 1 and 4

// Keep cascades stable, and fade shadows out smoothly
sun.CascadeFitMode = DirectionalLight.CascadeFitModes.Stable;
sun.ShadowFadeFraction = 0.1f;
sun.CascadeBlendFraction = 0.1f;

// Bias is measured in shadow map texels
sun.ShadowDepthBias = 1;
sun.ShadowNormalBias = 1;

Damit wird eine schattenwerfende Sonne mit drei stabilen Kaskaden, weicher Überblendung zwischen ihnen und einem sanften Ausblenden an der Schattendistanz aktiviert. Wenn Sie Acne sehen, erhöhen Sie die Bias-Werte leicht. Wirken Schatten von ihren Werfern losgelöst, verringern Sie sie.

Upgrade von der vorherigen Version

Einige Änderungen betreffen bestehende Projekte:

• ShadowBias ist jetzt veraltet und wird ignoriert. Verwenden Sie ShadowDepthBias und ShadowNormalBias. Sie werden in Texeln gemessen, sodass sich alte Werte nicht direkt übertragen lassen.
• Wenn Sie eigene Shader haben, die DirectionalLightShadow, PointLightShadow oder SpotLightShadow aufrufen, erwarten diese jetzt die geometrische Normale statt NoL.
• Wenn ein eigener Shader LightProperties.CascadeSplits liest, beachten Sie, dass es sich jetzt um einen float4 mit Kaskadengrenzen handelt. Der erste Wert gibt an, wo die Schatten beginnen, die nächsten drei, wo die ersten drei Kaskaden enden.

Probieren Sie es aus und sagen Sie uns Ihre Meinung

Bereit für stabilere, sauberere Schatten in Ihren Szenen? Aktualisieren Sie Evergine, öffnen Sie eine Szene mit einem gerichteten Licht und probieren Sie die neuen Optionen aus.

• Stöbern Sie in der Evergine-Dokumentation für die vollständige Referenz zu Licht und Schatten.
• Entdecken Sie die Evergine-Beispiele, um Lichter und Schatten in realen Szenen zu sehen.
• Ein Problem gefunden oder eine Idee? Teilen Sie es uns im Evergine-Feedback-Repository mit.

Wir freuen uns auf Ihre Meinung.