08. 阴影：影子怎么来的

阿豪2026/8/4大约 15 分钟

08. 阴影：影子怎么来的

本篇位置：模块二 · 第 8 篇｜前置：光照｜预计阅读：30 分钟

你已经在用它了

上一篇那盏灯，用在这里（libs/hwui/pipeline/skia/ReorderBarrierDrawables.cpp，删去厂商定制）：

void EndReorderBarrierDrawable::drawShadow(SkCanvas* canvas, const RenderNode* casterNode,
                                           const ShadowInfo& shadowInfo) {
    const RenderProperties& casterProperties = casterNode->properties();
    const SkPath* casterPath = shadowInfo.casterPath;

    const Vector3 lightPos = LightingInfo::getLightCenter();
    SkPoint3 skiaLightPos = SkPoint3::Make(lightPos.x, lightPos.y, lightPos.z);

    SkPoint3 zParams = SkPoint3::Make(0, 0, casterProperties.getZ());

    SkShadowUtils::DrawShadow(
            canvas, *casterPath, zParams, skiaLightPos, LightingInfo::getLightRadius(),
            shadowInfo.ambientColor, shadowInfo.spotColor,
            shadowInfo.casterAlpha < 1.0f ? SkShadowFlags::kTransparentOccluder_ShadowFlag : 0);
}

每个有 elevation 的 View 都会走这里，一次调用画出它的影子。

三个问题：

传进去的只有一条轮廓路径（casterPath）、一个高度（zParams）和光源位置。没有任何深度图、也没有第二次渲染——影子是怎么算出来的？
为什么要传 getLightRadius()？一个投影计算要光源半径做什么？
游戏里的阴影和这个是一回事吗？

学完你会什么

说清 hwui 这套几何投影法的前提是什么，为什么三维场景用不了。
说清阴影贴图为什么必须渲染两趟，第一趟到底存了什么。
说清 shadow acne 从哪来、bias 怎么修、修过头又会怎样。
说清阴影为什么总是不够清晰，以及 cascade 在解决什么。
说清软阴影的物理来源，以及 PCF 是怎么近似它的。

1. hwui 走的是"几何投影"这条路

问题 1 的答案：它根本不需要渲染第二趟，因为它知道遮挡物的确切形状。

casterPath 是 View 的轮廓——一个矩形、一个圆角矩形，或者任意路径。有了这条轮廓、View 的高度 Z、以及光源位置，影子的形状可以直接用几何算出来：把轮廓上每个点从光源出发投影到地面上，连起来就是影子的边界。

这套办法的前提非常强：

前提	hwui 满足吗	三维场景满足吗
遮挡物的轮廓是已知的解析形状	是，就是 View 的 path	否，是几十万个三角形
只有一个接收面，且是平的	是，就是它下面那层 UI	否，任意起伏的地形、其他物体
遮挡物之间不互相投影	基本是	否，角色投影到墙上、树影投到车上

第二条最致命。几何投影法算出来的是"影子的轮廓落在哪"，它假设接收面是一个平面。如果影子要落在一段楼梯上、一个球面上、或者另一个物体上，投影出来的形状就完全不对了。

所以问题 3 的答案是：不是一回事，而且不是"简化版"的关系——是两套完全不同的算法。

2. 阴影贴图：把问题变成一次深度比较

三维场景的通用解法叫阴影贴图（shadow mapping），它换了个思路：

不去算影子的形状，而是逐点问"这个点能不能被光源看见"。

一个点在阴影里，等价于说：从光源看过去，这个点被别的东西挡住了。

而"被挡住了吗"这个问题，你在第 5 篇已经解决过了——那就是深度测试。只不过这次要从光源的位置去做。

阴影贴图的两趟

图左（第一趟）：把相机放到光源位置，渲染一遍场景，但只记深度、不要颜色——每个方向上"最近的东西有多远"。这张图就叫阴影贴图。图右（第二趟）：正常从相机渲染，每个着色点算出自己到光源的距离，和阴影贴图里记的值比一比。

图里两个点：

点	到光源的实际距离	阴影贴图里记的值	判定
A	6.12	6.12	一样 → 它就是最近的那个 → 被照亮
B	8.21	4.40	比记录的远 → 前面有东西挡着 → 在影子里

整个算法就这么一句话：

\text{到光源的距离} > \text{阴影贴图里记的值} \quad\Longrightarrow\quad \text{在阴影里}

为什么必须渲染两趟？因为第一趟要从光源的视角看世界。这不是"多余的一趟"，而是这个方法的定义——你必须真的站到光源那里去看一次，才知道从那里看得见什么。

有几个光源，就要渲几趟。这是阴影最主要的开销来源，也是游戏里"实时阴影的光源数量"总是被严格限制的原因。

3. Shadow acne：表面把自己遮住了

阴影贴图有一堆恶名昭著的毛病，第一个是自遮挡。

现象是：本该被照亮的平面上出现一条条黑色的条纹，尤其在光线斜射的地方。它有个很形象的名字——shadow acne（阴影痘痘）。

shadow acne 与 bias

图左：黑线是真实表面（一个斜面），蓝色阶梯是阴影贴图记录的值。阴影贴图分辨率有限，一个纹素只能存一个深度，于是记录值是阶梯状的。斜面有一半落在阶梯之上——按判定规则，这些地方"比记录的远"，被判成了阴影，比例高达 50%。图右：给记录值统一加一点 bias，阶梯整体抬高，斜面完全落在下面，误判降到 0%。

根因是分辨率：阴影贴图的一个纹素覆盖了世界里的一小片区域，这片区域内所有点共用同一个深度值。而真实表面在这片区域内是连续变化的，必然有一半高于那个值、一半低于。

解法叫 depth bias：比较时给记录值加一个小量，相当于把整个阴影贴图"往远处推一点"。

但 bias 加过头会引出另一个毛病：影子和物体的接触点脱开，物体看起来像浮在空中——这叫 peter-panning（彼得潘效应，人影分离）。

于是 bias 的取值变成了一个两头受气的调参活：太小有痘痘，太大影子飘。工程上常用的改进：

斜率相关的 bias（slope-scaled depth bias）——表面越倾斜，需要的 bias 越大，那就按倾斜程度自动放大。硬件直接支持。
只渲染背面（front-face culling）——第一趟渲染阴影贴图时只画背面，让记录的深度天然比正面远一点。对封闭物体很有效。

4. 分辨率：阴影为什么总是糊的

第二个大毛病是阴影贴图的分辨率永远不够。

阴影贴图要覆盖光源能照到的整个范围。对太阳光这种平行光，那可能是整张地图几百米见方，而贴图只有 2048×2048——一个纹素对应现实里好几十厘米。于是近处的阴影边缘会呈现明显的锯齿状块块。

更糟的是这个误差在画面上分布极不均匀：相机附近的东西占屏幕像素多、需要的阴影精度高，而阴影贴图是按光源视角均匀分配的，不知道你在看哪。

主流解法叫 CSM（Cascaded Shadow Maps，级联阴影贴图）：按距离把视锥切成几段，每段用一张自己的阴影贴图。近处那段范围小、精度高，远处那段范围大、精度低。因为近处占的屏幕像素多，这样分配才划算。

代价是每一级都要渲一趟——四级 CSM 意味着场景要多渲四遍。这就是阴影在游戏里始终是大开销的原因，也是移动端常常退回到"烘焙好的静态阴影 + 角色脚下一个圆形贴片"的原因。

5. 软阴影：回答 `getLightRadius`

现在回答问题 2。

理想点光源投出来的影子边缘是刀切一样的硬边——一个点要么能看见光源，要么看不见，没有中间状态。

但现实中所有光源都有大小：灯管、窗户、整片天空。于是遮挡物边缘附近的点能看到光源的一部分——挡住一半就是半亮，形成一圈明暗过渡带。

术语上，全黑的核心叫本影（umbra），过渡带叫半影（penumbra）。

光源半径与半影

图：同一个遮挡物、同样的高度，只改光源半径。半径 0（理想点光源）时半影宽度是 0.00，边缘是硬的；半径 0.8 时半影总宽 4.27；半径 2.0 时达到 10.67，影子明显变虚。

这就是 getLightRadius() 的作用：它告诉 Skia 这盏灯有多大，Skia 据此决定 View 的影子边缘该有多虚。你在不同 Android 版本上看到的阴影风格差异，很大程度就是这个参数在变。

还有一条更重要的规律：半影宽度还取决于遮挡物离接收面多远。手指贴在桌面上，影子边缘很锐；把手抬高，影子迅速变虚变淡。这是所有真实阴影的共同特征，也是"影子的虚实能传达高度"这件事的物理基础——Material Design 用阴影表达层级，靠的正是这个直觉。

游戏里怎么做软阴影？最常用的是 PCF（Percentage-Closer Filtering）：不是只采一次阴影贴图，而是在周围采好几个点，数一数有几个判定为阴影，用比例当作"这个点有多暗"。

采 9 个点、5 个判阴影，这个点就是 $5/9$ 的阴影。它得到的是一条平滑过渡的边缘，而不是非黑即白。

注意 PCF 本质上是"把阴影边缘模糊一下"，它不是在物理地模拟半影——半影宽度应该随遮挡距离变化，而固定核的 PCF 到处一样宽。更进一步的 PCSS（Percentage-Closer Soft Shadows）会先估算遮挡物距离再决定模糊半径，代价更高。

⚠️ 别搞混

你熟的 elevation 阴影和游戏里的阴影贴图，不是简化和完整的关系，是两套不同的算法：

	hwui 的 elevation 阴影	阴影贴图
基本思路	几何投影——把轮廓投到平面上	深度比较——从光源看得见吗
需要几趟渲染	一趟（就是正常那趟）	至少两趟，每个光源一趟
需要额外显存吗	不需要	需要，一张或多张深度图
遮挡物形状	必须是已知的解析路径	任意三角形都行
接收面	必须是平面	任意形状
物体能互相投影吗	不能	能
有 acne / peter-panning 吗	没有（不涉及深度比较）	有，需要调 bias
软阴影怎么来	Skia 按 `lightRadius` 直接算	PCF / PCSS 等近似

一句话：一个是"算出影子的形状"，一个是"逐点判断能不能被光源看见"。前者精确但适用面极窄，后者通用但满是需要调参的近似。

回到源码

问题 1：没有深度图，影子怎么算的？

用几何投影。casterPath 给出了遮挡物的精确轮廓，zParams 给出高度，光源位置已知——三者足以直接算出轮廓投影到下方平面上的形状。不需要第二趟渲染，也不需要任何深度缓冲。

代价是它绑死了三条前提：遮挡物轮廓已知、接收面是平面、物体之间不互相投影。UI 场景恰好全都满足。

问题 2：getLightRadius() 影响什么？

影子边缘有多虚。

点光源（半径 0）投出的是硬边影子，因为每个点要么看得见光源要么看不见。真实光源有大小，边缘附近的点只能看到光源的一部分，形成半影。图里半径从 0 到 2.0，半影宽度从 0.00 涨到 10.67。

Material Design 用影子的虚实表达层级高度，靠的正是这个物理规律：物体离接收面越远，影子越虚。

问题 3：和游戏里的阴影是一回事吗？

不是，是两套完全不同的算法，而且不是简化关系。

hwui 算的是"影子的形状"（几何投影，一趟搞定，精确但只适用于平面接收）；游戏用的是"这个点能被光源看见吗"（阴影贴图，至少两趟，通用但需要和 acne、分辨率、软阴影一路缠斗）。

下次看到任何阴影实现，先问一句：它是在算形状，还是在做深度比较？这一问就能定位它属于哪一类，以及会有哪些典型毛病。

自测

1. 阴影贴图为什么必须渲染两趟？能不能优化掉一趟？

不能，两趟是这个方法的定义。

第一趟必须站到光源的位置去渲染一遍，才能知道从那里看出去每个方向上最近的东西有多远。这不是冗余计算，是获取"光源视角的可见性"这个信息的唯一途径。

推论：有几个投影阴影的光源，就要渲几趟。这是实时阴影最主要的开销，也是游戏里动态阴影光源数量总被严格限制的原因。

2. shadow acne 的根因是什么？为什么斜面上特别严重？

根因是阴影贴图的分辨率有限——一个纹素覆盖世界里的一小片区域，这片区域内所有点共用同一个深度值，而真实表面在这片区域内是连续变化的。

于是表面必然有一部分高于那个记录值，被判定成"比记录的远" → 误判为阴影。图里那个斜面误判比例高达 50%，表现为一条条黑色条纹。

斜面更严重是因为倾斜度越大，一个纹素覆盖范围内的真实深度变化越大，误差也越大。所以硬件提供了"斜率相关 bias"，按倾斜程度自动放大补偿量。

3. bias 调大能消痘痘，为什么不能一直调大？

会出现 peter-panning——影子和物体的接触处脱开，物体看起来像浮在空中。

因为 bias 的本质是"把整个阴影贴图往远处推一点"。推得越多，物体底部附近本该有影子的区域越会被判成"没被挡住"，接触阴影就消失了。

所以 bias 是个两头受气的参数：太小有痘痘，太大影子飘。工程上用斜率相关 bias、或者第一趟只渲背面来缓解。

4. CSM（级联阴影贴图）在解决什么问题？代价是什么？

解决阴影贴图精度分配不均的问题。

一张阴影贴图要覆盖光源照到的整个范围（对太阳光可能是几百米），分辨率却有限，导致一个纹素对应现实里几十厘米，近处阴影边缘出现明显块块。而且误差分布不合理——相机附近的东西占屏幕像素最多、最需要精度，阴影贴图却是按光源视角均匀分配的。

CSM 按距离把视锥切成几段，每段一张贴图：近处范围小精度高，远处范围大精度低。

代价是每一级都要渲一趟——四级 CSM 就是场景多渲四遍。这也是移动端常退回"烘焙静态阴影 + 角色脚下贴片"的原因。

5. 为什么手贴着桌面时影子边缘很锐，抬高之后就变虚了？

因为半影宽度取决于光源大小和遮挡物到接收面的距离。

真实光源有大小，遮挡物边缘附近的点只能看到光源的一部分，形成半明半暗的过渡带（半影）。遮挡物离接收面越远，同样的光源张角投出来的这条过渡带越宽。

贴着桌面时距离接近 0，半影宽度也接近 0，边缘锐利；抬高之后半影迅速变宽，影子变虚变淡。

Material Design 就是靠这个物理直觉用阴影表达层级高度的，hwui 那个 lightRadius 参数控制的正是这套效果的强度。

小结

概念	一句话	要点
几何投影法	把已知轮廓投到平面上	hwui 用；一趟搞定，但接收面必须是平面
阴影贴图	从光源渲一趟深度，第二趟逐点比	通用解法；核心就是一次深度比较
判定规则	到光源距离 > 记录值 → 在阴影里	和第 5 篇的深度测试是同一件事
两趟不能省	必须真的站到光源去看一次	每个阴影光源一趟，这是主要开销
shadow acne	表面自己把自己遮住	根因是阴影贴图分辨率有限
depth bias	把记录值推远一点	太小有痘痘，太大 peter-panning
CSM	按距离分段，各用一张贴图	解决精度分配不均；代价是多渲几趟
本影 / 半影	全黑核心 / 明暗过渡带	半影来自光源有大小
半影宽度	随光源大小和遮挡距离增长	影子的虚实能传达高度
PCF	采多个点数比例	是模糊边缘，不是物理模拟半影