虚拟阴影贴图

虚拟阴影贴图 (Virtual Shadow Maps, VSM) 是 UE5 默认的阴影方法：概念上就是分辨率极高（虚拟 16k×16k）的阴影贴图，切成 128×128 的页 (Page)，只为屏幕上需要着色的像素分配和渲染页，并跨帧缓存；方向光用 clipmap 覆盖大范围，软阴影由阴影贴图光线追踪 (Shadow Map Ray Tracing, SMRT) 生成。它为 Nanite 设计，与 Nanite 一起使用时最高效。

原理：把阴影贴图"虚拟化"

传统阴影贴图的核心矛盾是分辨率：一张贴图要覆盖整个可见范围，近处像素不够用。级联阴影贴图用几级级联缓解。VSM 的做法与大场景渲染与虚拟纹理中的虚拟纹理同构：（Virtual Shadow Maps）

每个光源拥有一张虚拟 16k×16k 的阴影贴图，切成 128×128 的页；
分析深度缓冲，标记"屏幕上着色确实需要"的页，只为这些页分配物理内存并渲染；
页跨帧缓存，除非被移动的物体或光源失效 (Invalidate)。

下图表示一帧的 VSM 流程：

flowchart LR
    A["深度缓冲"] --> B["页标记<br/>需要哪些页/哪级 mip"]
    B --> C{"页在缓存且未失效?"}
    C -- "是" --> D["复用缓存页"]
    C -- "否" --> E["渲染该页<br/>Nanite 一次/非 Nanite 逐光源绘制"]
    D --> F["物理页池"]
    E --> F
    F --> G["阴影投影 SMRT 采样"]

不同光源的组织方式：（Virtual Shadow Maps）

光源	结构	细节层次选择
方向光	clipmap：每级一张 16K VSM，每级覆盖前一级两倍半径；默认第 6–22 级，即约 64 cm 到 40 km	按到相机距离；`r.Shadow.Virtual.ResolutionLodBiasDirectional`，-1 使分辨率加倍
聚光灯	一张 16k VSM + mip 链	把屏幕像素大小投影到阴影空间选 mip
点光源	立方体贴图，每面一张 16k VSM	同上

clipmap 和级联本质上都是"按距离分级的分辨率"，但 VSM 每级都是稀疏分配的虚拟贴图，空级几乎没有成本。（Virtual Shadow Maps）选页级别的思路也和细节层次 / mip 选择一致。官方也坦言：VSM 仍有透视走样 (Projective Aliasing)（光线几乎平行于表面时），"用阴影贴图解决透视走样没有简单方案"。（Virtual Shadow Maps）

VSM 启用后会取代：固定光源 (Stationary) 预计算阴影、预阴影 (Pre-shadow)、逐物体阴影、CSM 以及可移动局部光源的动态阴影；距离场阴影不被取代，可在动态阴影距离外为非 Nanite 几何接管；光追阴影仍优先。（Virtual Shadow Maps）

软阴影：SMRT

SMRT 向光源发出若干条光线，但不与几何求交，而是把沿光线的若干采样点投影到 VSM 上做测试，从而得到软阴影和接触硬化 (Contact Hardening)——遮挡体离接收面越远阴影越软。官方指出过去基于 PCF 的方法会均匀地过度模糊、削弱高分辨率几何的细节。（Virtual Shadow Maps）这与软阴影 PCF 与 PCSS 中 PCSS 追求的"按遮挡距离变化的半影"目标相同，只是实现换成了在阴影贴图上的光线步进。

光线分布由局部光的 Source Radius 或方向光的 Source Angle 决定；Epic 级默认 8 条光线；r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountLocal/Directional 设为 0 则退化为单次采样硬阴影；每条光线采样数 4–8 效果较好。（Virtual Shadow Maps）
局限：VSM 只存第一层深度，遮挡体重叠处会漏光，用"填缝启发式"外推；半影大小被钳制，Source Radius/Angle 过大会变形且变慢。（Virtual Shadow Maps）

缓存：性能的关键

官方说复用前几帧的页是保持高性能的关键。失效来源：（Virtual Shadow Maps）

光源移动或旋转 → 该光源所有缓存页失效；
投影几何移动、添加、删除 → 从光源视角看与其包围盒重叠的页失效（包括蓝图设置了属性导致渲染状态失效但实际未动的情况）；
使用 WPO（世界位置偏移）或 PDO（像素深度偏移）的材质、骨骼动画 → 每帧失效。

应对：

用 Cached Page 可视化（绿=缓存，红=新/失效）和 ShadowCasters 视图找出元凶；包围盒要紧，宽松包围盒在低光照角度下会造成大量无谓失效。
完全处于 Nanite 物体阴影中的失效可以跳过，非 Nanite 不行——所以建筑等大投影体应使用 Nanite（见 Nanite 虚拟化几何体）。
按图元设置 Shadow Cache Invalidation Behavior（Auto/Always/Rigid/Static）；用 World Position Offset Disable Distance 让远处植被停止摆动。
静态/动态分离缓存：VSM 实际保存两份深度（静态与动态），动态物体移动时不必重画昂贵的静态几何；理想情况下静态页失效数接近 0，频繁失效的物体应改为 Movable。

性能分析

VSM 成本落在两个桶：（Virtual Shadow Maps）

桶	内容	主要影响因素	调优
Shadow Depths	把几何渲染进阴影页	需渲染的页数 × 要渲染的几何量	提高缓存命中；全面启用 Nanite；非 Nanite 配完整 LOD、`r.Shadow.RadiusThreshold`、远处切距离场阴影、关闭粗糙页中的非 Nanite
Shadow Projection	SMRT 采样	每像素平均光源数、每像素光线数、每光线采样数	先减小 Source Radius/Angle，再降光线/采样数

非 Nanite 几何渲染进 VSM 要贵得多：方向光一次 Nanite 通道画完所有方向光，非 Nanite 则每个光源一个通道、逐物体绘制调用；一个静态网格实例对点光源可能变成 48 个剔除实例（8 级 mip × 6 面），对方向光 17 个（17 级 clipmap）。（Virtual Shadow Maps）统计用 r.ShaderPrintEnable 1 + r.Shadow.Virtual.Stats 1，也可在 Unreal Insights 中 trace.enable counters,vsm；测量时用 r.RDG.AsyncCompute 0 获得更有代表性的分通道时间（仅限分析，切勿用于发行）。（Virtual Shadow Maps）详见 UE5 性能分析。

坑与限制

低多边形高曲率模型出现"阴影明暗交界线问题 (Shadow Terminator)"：首选加面（Nanite 加面便宜），实在不行再调 r.Shadow.Virtual.NormalBias（默认 0.5），后者会损失全场景细节。（Virtual Shadow Maps）
物理页池溢出会导致棋盘格或阴影缺失，需调 r.Shadow.Virtual.MaxPhysicalPages 或降分辨率/光源数。（Virtual Shadow Maps）
大量小局部光源的性能仍在改进中；Subsurface Profile 与透射尚未支持。（Virtual Shadow Maps）
不用 Nanite 的项目或平台，VSM "很可能不合适"；平台需要 DX12 SM6.6 原子操作或 Vulkan 64 位原子。（Virtual Shadow Maps）

阴影基础概念（自阴影、偏移、走样）见阴影基础与阴影体。