[Unity 렌더링] 8-5. Cascade Shadow Map은 무엇일까?
Cascade Shadow Map은 Camera Frustum을 거리에 따라 여러 구간으로 나누고 각 구간에 별도의 Directional Light Shadow Map을 사용하는 방식이다.
Camera
├─ Cascade 0: 가까운 좁은 영역
├─ Cascade 1: 중간 영역
├─ Cascade 2: 먼 영역
└─ Cascade 3: Shadow Distance 끝까지
같은 Resolution의 Shadow Map 하나를 전체 거리에 펼치면 Camera 근처의 Shadow가 쉽게 픽셀처럼 깨진다.
Cascade는 가까운 영역을 별도로 확대해 제한된 Shadow Texel을 더 촘촘하게 배정한다.
하나의 Shadow Map에서 생기는 문제
Directional Light는 태양처럼 평행한 방향으로 넓은 Scene을 비춘다.
Shadow Distance 안의 Camera Frustum 전체를 하나의 Shadow Map에 담는다고 가정한다.
Camera Frustum
/---------------------- Far
/ /
/ /
/___________________/
Near
전체 범위 → Shadow Map 1장
Camera에 가까운 영역은 Frustum의 작은 일부지만 화면에서는 매우 크게 보인다.
먼 영역까지 담기 위해 Shadow Map Projection을 넓히면 가까운 Surface에 배정되는 Texel이 부족해진다.
Perspective Aliasing
Perspective Camera에서 가까운 Object는 많은 Screen Pixel을 차지하고 먼 Object는 적은 Pixel을 차지한다.
같은 크기의 바닥 Tile
Near : ■■■■■■■■■■■■ 많은 Screen Pixel
Far : ■■ 적은 Screen Pixel
반면 하나의 Directional Shadow Map은 넓은 World 범위에 Texel을 비교적 일정하게 배분한다.
가까운 영역에서는 하나의 Shadow Texel을 여러 Screen Pixel이 확대해서 읽게 된다.
1 Shadow Texel
│
▼
Near Screen Pixel 여러 개
■■■■■■■■
Shadow 경계가 계단처럼 보이고 Camera 이동 시 흔들리는 현상이 발생한다.
Unity 공식 문서는 이를 Directional Light의 실시간 Shadow에서 발생하는 Perspective Aliasing 문제로 설명한다.
Cascade가 문제를 나누는 방식
Camera Frustum을 가까운 구간과 먼 구간으로 나눈다.
1 Cascade
[────────────────────────────────]
4 Cascades
[────][──────][────────][──────────────]
C0 C1 C2 C3
각 구간에 맞는 Light View와 Projection을 만들어 Shadow Depth를 Rendering한다.
Camera Frustum Split
│
├─ C0 → Light Projection 0 → Shadow Tile 0
├─ C1 → Light Projection 1 → Shadow Tile 1
├─ C2 → Light Projection 2 → Shadow Tile 2
└─ C3 → Light Projection 3 → Shadow Tile 3
Receiver는 자신의 Camera 거리와 위치에 맞는 Cascade Shadow Map을 Sample한다.
가까운 Cascade가 더 선명한 이유
각 Cascade Tile의 Resolution이 같다고 단순 가정한다.
Cascade 0
1024 Texel을 10 m 범위에 사용
→ 약 102.4 texel/m
Cascade 3
1024 Texel을 80 m 범위에 사용
→ 약 12.8 texel/m
가까운 Cascade는 좁은 World 영역을 담당하므로 Texel Density가 높다.
먼 Shadow는 Screen에서 작게 보이기 때문에 낮은 World Texel Density도 상대적으로 덜 눈에 띈다.
Near
├─ Screen에서 크게 보임
└─ 높은 Shadow Detail 필요
Far
├─ Screen에서 작게 보임
└─ 낮은 Shadow Detail도 허용 가능
이것이 같은 전체 Resolution 예산을 거리 중요도에 맞게 재배분하는 핵심이다.
Resolution을 올리는 것과 무엇이 다를까?
Shadow Map Resolution을 올리면 모든 영역의 Texel 수가 증가한다.
Cascade는 Camera 근처에 별도의 Projection을 배정해 분포를 바꾼다.
| 방식 | 핵심 변화 | 장점 | 비용 |
|---|---|---|---|
| Resolution 증가 | Map 한 변의 Texel 증가 | 전체 Detail 개선 가능 | Memory와 Rasterization 증가 |
| Cascade 증가 | Frustum을 여러 Projection으로 분할 | 근거리 Detail 집중 | Shadow View와 Draw 반복 증가 |
| Shadow Distance 감소 | World Coverage 축소 | 밀도와 성능 개선 가능 | 먼 Shadow 소실 |
Unity 공식 문서는 Shadow Resolution이 같은 상태에서도 Cascade 수에 따라 가까운 Shadow 품질이 달라질 수 있음을 보여 준다.
Cascade는 더 큰 Texture를 만드는 대신 Texture를 어디에 집중할지 바꾸는 방법이다.
Directional Light에만 사용하는 이유
Perspective Aliasing은 Directional Light가 Camera 주변의 넓은 범위를 하나의 평행 Projection으로 덮을 때 크게 나타난다.
Directional Light
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
Camera Frustum 전체에 평행한 빛
Spot Light는 Light 자체의 Perspective Frustum이 있고 Point Light는 여섯 방향의 범위를 가진다.
Unity의 Shadow Cascade 설정은 Main Directional Light에 적용된다.
Additional Spot·Point Light Shadow를 여러 Cascade로 나누는 설정이 아니다.
Cascade Count
URP Asset에서 Main Light의 Cascade Count를 설정한다.
URP Asset
└─ Lighting
└─ Main Light
└─ Cascade Count
Cascade Count는 Camera Frustum을 몇 개의 Shadow 거리 구간으로 나눌지 정한다.
1 Cascade : 분할 없음
2 Cascades: Near / Far
3 Cascades: Near / Mid / Far
4 Cascades: Near / Mid 1 / Mid 2 / Far
수가 많을수록 거리별 Projection을 세밀하게 맞출 수 있지만 비용도 증가한다.
가장 많은 수가 항상 가장 효율적인 선택은 아니다.
Cascade Split
Split은 한 Cascade가 끝나고 다음 Cascade가 시작되는 위치를 정한다.
0% Camera
│
├──── Split 1
│ Cascade 0
├────────── Split 2
│ Cascade 1
├──────────────── Split 3
│ Cascade 2
└──────────────────────── 100% Shadow Distance
Cascade 3 끝
URP Asset의 Split 1, Split 2, Split 3은 Cascade 수에 따라 표시된다.
각 값은 전체 Shadow Distance 안에서 Cascade 경계를 어디에 둘지 결정한다.
균등 Split이 항상 적합하지 않은 이유
Shadow Distance가 100 m이고 네 Cascade를 25 m씩 균등하게 나눈다고 가정한다.
0 ── 25 ── 50 ── 75 ── 100 m
첫 Cascade가 25 m를 담당하면 Character 발밑과 가까운 Prop에 충분한 Texel Density를 주지 못할 수 있다.
Perspective Camera는 가까운 영역의 Detail을 더 크게 보여 주므로 가까운 Split을 더 좁게 배치하는 경우가 많다.
0 ─ 8 ─── 22 ─────── 50 ───────── 100 m
이 값은 예시이며 모든 Project에 적용되는 권장값이 아니다.
Camera 높이, FOV, World Scale과 중요한 Shadow의 위치를 기준으로 정해야 한다.
Split을 너무 가깝게 모으면 생기는 문제
Near Cascade만 지나치게 좁게 만들면 Camera 바로 앞은 선명하지만 중간 거리의 품질이 급격히 떨어진다.
Near Mid Far
[고밀도][낮은 밀도──────────────────────]
Player가 자주 보는 Enemy나 건물이 두 번째 Cascade에 있는데 그 구간이 너무 넓으면 Shadow가 흐려질 수 있다.
한 지점의 Screenshot만 보고 조절하지 말고 Camera 이동 경로 전체에서 확인한다.
Cascade 선택은 어떻게 이루어질까?
Receiver의 World Position 또는 Camera-relative Position이 어느 Cascade 영역에 속하는지 판정한다.
개념적인 흐름은 다음과 같다.
Screen Pixel
│
▼
World Position 복원 또는 전달
│
▼
Cascade 0~N 범위 판정
│
▼
해당 Light Matrix로 Shadow Coordinate 변환
│
▼
해당 Shadow Tile Sample
실제 URP Shader 구현은 Keyword, Platform과 Rendering Path에 따라 달라질 수 있다.
핵심은 Receiver가 모든 Cascade를 무조건 완전히 Sample하는 것이 아니라 자신의 위치에 맞는 Cascade를 선택한다는 점이다.
Cascade Atlas
여러 Cascade의 Depth는 Shadow Atlas의 Tile에 배치될 수 있다.
4 Cascade Atlas 예시
┌────────────┬────────────┐
│ Cascade 0 │ Cascade 1 │
├────────────┼────────────┤
│ Cascade 2 │ Cascade 3 │
└────────────┴────────────┘
Atlas Resolution이 2048이고 네 Tile을 2 × 2로 나누는 단순한 구성이면 각 Tile 한 변은 1024 규모다.
2048 Atlas
└─ 2 × 2 배치
└─ Tile당 1024 × 1024
실제 Layout과 내부 Padding은 URP Version과 구현에 따라 달라질 수 있다.
Cascade 수를 늘린다고 각 Cascade에 전체 Atlas Resolution이 그대로 주어지는 것은 아니다.
Cascade마다 Shadow Map을 다시 만든다
각 Cascade는 Light 관점의 별도 Shadow View다.
Cascade 0
├─ Caster Culling
└─ ShadowCaster Rendering
Cascade 1
├─ Caster Culling
└─ ShadowCaster Rendering
Cascade 2 ...
같은 Renderer가 여러 Cascade에 걸치면 둘 이상의 Shadow Pass에서 그려질 수 있다.
큰 Terrain, 높은 Building과 긴 Wall은 Cascade 경계를 가로지르기 쉽다.
Cascade Count 증가는 단순한 Sample 설정 변경이 아니라 Shadow Map 생성 작업을 반복하는 변경이다.
CPU 비용
CPU는 Cascade마다 Shadow 영역을 구성하고 Caster를 판정한다.
Cascade Count 증가
├─ Shadow Culling View 증가
├─ Caster 목록 준비 증가
├─ Draw Command 후보 증가
└─ Render Thread 작업 증가 가능
모든 Caster가 모든 Cascade에 포함되는 것은 아니다.
하지만 Caster가 많고 경계를 걸치는 Renderer가 많으면 Culling과 Draw 준비 비용이 증가한다.
CPU 병목 Project에서는 Resolution을 바꾸는 것보다 Cascade Count 변화가 더 크게 나타날 수 있다.
GPU Geometry 비용
GPU는 Cascade별 ShadowCaster Pass에서 Vertex를 처리하고 Depth를 기록한다.
Mesh
├─ Cascade 0 ShadowCaster
├─ Cascade 1 ShadowCaster
└─ Camera Color Pass
Skinned Mesh, Vertex Animation과 Alpha Clipping Caster도 포함된 Cascade마다 관련 작업을 반복할 수 있다.
Cascade를 2개에서 4개로 바꿨다고 전체 GPU 시간이 정확히 2배가 되는 것은 아니다.
각 Cascade의 Caster 수, Tile 면적, Geometry와 GPU 병목에 따라 증가 폭이 달라진다.
Shadow Sampling 비용
Receiver Shader는 어느 Cascade를 사용할지 판정하고 해당 Tile의 Depth를 Sample한다.
Receiver Cost
├─ Cascade Index 판정
├─ Shadow Coordinate 계산
├─ Atlas UV 변환
└─ Depth Filtering
Hard Shadow라면 기본 Sample 수가 크게 변하지 않을 수 있지만 Cascade 선택과 경계 처리 비용이 추가된다.
Cascade 경계에서 두 결과를 Blend하는 방식은 둘 이상의 Cascade를 Sample할 수 있어 비용이 늘어난다.
Soft Shadow의 PCF Sample 수가 많다면 경계 Blend와 함께 Receiver 비용이 더 커질 수 있다.
Cascade 경계가 보이는 이유
인접한 Cascade는 서로 다른 Projection과 Texel Density를 사용한다.
Cascade 0 Texel: 촘촘함
■■■■■■■■■■■■■■■■
Cascade 1 Texel: 성김
■■ ■■ ■■ ■■
Receiver가 경계를 넘는 순간 Sample Grid, Bias와 Filtering 결과가 바뀔 수 있다.
Camera 이동
Cascade 0 결과 ┃ Cascade 1 결과
↑ 전환선
Shadow의 선명도나 위치가 갑자기 변하면 Camera와 함께 움직이는 띠처럼 보인다.
이를 Cascade Transition 또는 Cascade 경계 Artifact로 볼 수 있다.
Cascade Border와 Blend
경계 Artifact를 줄이기 위해 인접 Cascade 결과를 일정 구간에서 섞을 수 있다.
Cascade 0 ────────────────┐
╲ Blend
╲
Cascade 1 └────────────
Blend 영역에서는 현재 Cascade와 다음 Cascade를 함께 Sample할 수 있다.
shadow = lerp(shadowCascade0, shadowCascade1, blendFactor);
이는 개념 코드이며 실제 URP 함수와 구현을 그대로 나타낸 것은 아니다.
Border를 넓히면 전환은 부드러워질 수 있지만 중복 Sampling 영역과 낮은 품질 Cascade의 영향이 커질 수 있다.
Last Border
URP Asset의 Last Border는 Shadow Distance 끝에서 Shadow를 Fade Out하는 영역의 크기를 정한다.
Unity 공식 문서에 따르면 Fade는 다음 위치에서 시작한다.
Fade 시작 = Max Distance - Last Border
Fade 종료 = Max Distance
Shadow Strength
1.0 ─────────────────╲
╲
0.0 ───────────────────╲──
Max Distance - Border Max Distance
마지막 Cascade 끝에서 Shadow가 갑자기 사라지는 현상을 완화한다.
Cascade 사이의 Split Blend와 전체 Shadow 끝의 Last Border는 목적을 구분해서 설정해야 한다.
Bias가 Cascade마다 다르게 보일 수 있다
Depth Bias와 Normal Bias는 Shadow Acne을 줄이기 위해 Caster와 Receiver 비교 위치를 조정한다.
Cascade마다 World 단위 Texel 크기가 다르기 때문에 같은 Bias 설정도 화면에서 다르게 느껴질 수 있다.
Near Cascade
└─ 작은 World Texel
Far Cascade
└─ 큰 World Texel
Far Cascade에서 Shadow가 Object에서 더 떨어져 보이거나 얇은 Geometry의 Light Leak이 커질 수 있다.
Resolution이나 Cascade를 바꾼 뒤에는 경계 품질만 아니라 Acne, Peter Panning과 Light Leak도 다시 확인한다.
Stable Shadow와 Shimmering
Camera가 움직이면 각 Cascade를 감싸는 Light Projection도 이동한다.
Projection이 연속적으로 움직이면 World Position이 매 Frame 다른 Texel에 정렬되어 Shadow가 흔들릴 수 있다.
Frame N World Edge → Texel 120
Frame N + 1 World Edge → Texel 121
Pipeline은 Projection을 Shadow Texel 단위에 맞추는 안정화 기법을 사용할 수 있다.
하지만 Cascade Split, Light 회전과 Camera 이동에 따라 Shimmering이 완전히 사라지지 않을 수 있다.
정지 Screenshot뿐 아니라 실제 Camera 이동 중에 품질을 평가해야 한다.
Camera FOV와 높이
같은 Shadow Distance와 Split도 Camera FOV와 높이에 따라 화면상 위치가 달라진다.
낮은 3인칭 Camera
└─ Near Cascade가 Character 주변을 충분히 덮음
높은 전략 Camera
└─ Near Cascade 경계가 화면 중앙에 보일 수 있음
Zoom 기능으로 FOV가 크게 변하면 Cascade가 담당하는 Screen 영역도 달라진다.
대표 FOV 하나에서만 Split을 맞추면 Zoom In·Out 시 전환선이 눈에 띌 수 있다.
Camera의 모든 Gameplay Mode에서 확인해야 한다.
Shadow Distance와 함께 조절한다
Cascade는 Shadow Distance 내부를 나눈다.
Shadow Distance 50 m
└─ 4 Cascades가 0~50 m 분할
Shadow Distance 200 m
└─ 같은 4 Cascades가 0~200 m 분할
Distance를 크게 늘리면 각 Cascade가 더 넓은 범위를 맡게 되어 Texel Density가 낮아질 수 있다.
이를 보완하려고 Cascade Count와 Resolution을 모두 올리면 Culling, Rendering과 Memory 비용이 함께 커진다.
먼 Shadow가 실제로 필요한지 먼저 정하고 그 범위 안에서 Split을 배분한다.
Caster LOD와 함께 사용한다
먼 Cascade는 낮은 Detail의 Geometry로도 충분할 수 있다.
Cascade 0
└─ Character와 Prop의 세밀한 Silhouette
Cascade 3
└─ 큰 형태 중심의 단순 Shadow
LOD Group으로 먼 Caster의 Triangle을 줄이거나 먼 LOD에서 작은 Detail의 Cast Shadows를 끌 수 있다.
단, Camera LOD 기준과 Light Shadow Projection의 관계 때문에 전환 시 Shadow 모양이 갑자기 바뀔 수 있다.
LOD 전환과 Cascade 전환이 같은 화면 구간에서 겹치지 않는지도 확인한다.
Terrain과 Foliage
Terrain과 숲은 넓은 World 범위에 Caster가 계속 분포한다.
Cascade 수가 늘면 넓은 Terrain Chunk와 Tree가 여러 Shadow View에서 처리될 수 있다.
Outdoor Shadow Cost
├─ Cascade Count
├─ Shadow Distance
├─ Terrain Patch 수
├─ Tree / Grass Caster 수
└─ Alpha Clipping
가까운 Foliage Shadow는 품질 기여도가 높지만 먼 Grass Blade의 Shadow는 Screen에서 거의 보이지 않을 수 있다.
거리별 Cast Shadow 정책과 Cascade 설정을 함께 설계한다.
Platform별 선택
Cascade가 제공하는 품질과 비용의 균형은 Platform마다 다르다.
| 환경 | 주요 고려 사항 |
|---|---|
| Desktop | 높은 Display 해상도, GPU·CPU Frame Budget |
| Mobile | Culling·Draw 비용, Tile-based GPU, Memory Bandwidth |
| XR | 높은 Frame Rate, 두 Eye의 안정적인 품질 |
| 전략 Camera | 넓은 가시 범위와 경계 위치 |
| 실내 | 짧은 Distance로 적은 Cascade 가능성 |
모바일에서 무조건 Cascade를 끄거나 Desktop에서 무조건 4개를 쓰는 고정 규칙은 없다.
Scene 밀도와 병목을 Target Device에서 측정해 결정한다.
적절한 Cascade 수를 찾는 순서
1. 필요한 Shadow Distance 확정
2. Main Light Shadow Resolution 설정
3. 1 Cascade에서 근거리 Artifact 확인
4. 필요하면 2 Cascades로 증가
5. Split을 중요한 거리 구간에 배치
6. 부족한 경우에만 3~4 Cascades 검토
7. 경계와 Last Border 조정
8. CPU·GPU 비용 측정
Cascade 수를 먼저 최대값으로 두면 각 단계가 실제로 필요한지 판단하기 어렵다.
가장 적은 수로 목표 품질을 만족시키는 구성을 찾는다.
Split을 조절하는 실전 기준
대표 장면에서 다음 지점을 표시한다.
0 m : Camera
2 m : Player 발밑 Shadow
10 m : 근접 Enemy
30 m : 주요 Building
80 m : Background
100 m : Shadow Distance
높은 품질이 필요한 대상이 어떤 Cascade에 들어가는지 확인한다.
경계가 Character가 자주 서는 거리나 넓은 평면 중앙을 지나면 변화가 잘 보인다.
복잡한 Geometry, Fog가 시작되는 지점이나 Contrast가 낮은 영역에 경계를 배치하면 전환을 감추기 쉬울 수 있다.
비교 장면
Cascade 품질은 고정 Screenshot과 움직임 테스트를 모두 사용한다.
Test Object
├─ 대각선 난간: Aliasing 확인
├─ 긴 Wall: Cascade 경계 확인
├─ 얇은 기둥: Detail과 Bias 확인
├─ Character: 이동 Shadow 안정성
├─ Foliage: 생성 비용 확인
└─ 넓은 Ground: 전환선 확인
Camera 경로, FOV, Light 방향과 Shadow Distance를 고정한 뒤 Cascade Count와 Split만 바꾼다.
동일한 Frame에서 Game View와 GPU Capture를 비교한다.
Profile에서 확인할 항목
CPU
├─ Cascade별 Culling Time
├─ Shadow Draw Call
└─ Render Thread Time
GPU
├─ Main Light ShadowCaster Pass
├─ Cascade별 Geometry 처리
├─ Shadow Atlas Depth Write
└─ Receiver Shadow Sample
품질
├─ 근거리 계단 현상
├─ 이동 중 Shimmering
├─ Split 경계 변화
└─ Last Border Fade
Frame Debugger에서 Cascade별 ShadowCaster Event와 반복되는 Renderer를 확인한다.
Profiler의 평균값만 아니라 Camera 이동 중 Spike도 기록한다.
Editor가 아닌 Target Graphics API와 Device에서 최종 판단한다.
흔한 오해
Cascade는 Shadow Resolution을 높이는 기능이다
전체 Texture의 설정 Resolution을 자동으로 높이는 기능이 아니다.
Frustum을 나누어 각 거리 구간에 Shadow Texel을 더 효율적으로 배분한다.
Cascade 수가 많을수록 항상 선명하다
Atlas가 더 많은 Tile로 나뉘고 각 Cascade Rendering이 반복된다.
Split이 잘못 배치되면 필요한 구간의 품질이 오히려 부족할 수 있다.
Cascade는 모든 Light에 적용된다
Unity의 Shadow Cascade는 Directional Light, URP에서는 Main Light에 적용되는 설정이다.
Receiver는 매 Pixel에서 모든 Cascade를 Sample한다
일반 영역에서는 위치에 맞는 Cascade를 선택한다. 경계 Blend에서는 인접 Cascade Sample이 추가될 수 있다.
경계가 보이면 Resolution만 올리면 된다
Split 위치, Border, Bias, Filtering과 Projection 안정성도 원인이 될 수 있다.
4 Cascades는 1 Cascade보다 정확히 4배 비싸다
Caster 분포, 중복 Renderer, Tile 크기와 CPU·GPU 병목에 따라 증가 폭이 달라진다.
Cascade가 있으면 Shadow Distance를 크게 해도 된다
Cascade는 제한된 예산을 재배분한다. Distance가 커지면 Caster 범위와 각 구간의 World Coverage도 증가한다.
정리
Cascade Shadow Map은 Camera Frustum을 거리별로 나누고 각 구간에 별도의 Directional Light Shadow Projection을 사용하는 방식이다.
Perspective Camera의 가까운 영역에서 하나의 Shadow Texel이 여러 Screen Pixel로 확대되는 Perspective Aliasing을 줄인다.
가까운 Cascade는 좁은 World 범위에 Texel을 집중하고 먼 Cascade는 넓은 범위를 담당해 제한된 Resolution을 화면 중요도에 맞게 배분한다.
Cascade Count는 구간 수를, Split은 각 구간의 경계를, Last Border는 Shadow Distance 끝의 Fade 영역을 결정한다.
Cascade를 늘리면 근거리 품질을 개선할 수 있지만 Cascade별 Culling, ShadowCaster Rendering과 Atlas Tile이 필요해 CPU·GPU 비용이 증가한다.
인접 Cascade는 Texel Density와 Projection이 달라 경계 Artifact가 발생할 수 있으며 Split, Blend, Bias와 Camera 이동을 함께 검증해야 한다.
적절한 구성은 필요한 Shadow Distance를 먼저 정한 뒤 가장 적은 Cascade 수에서 시작해 중요한 Gameplay 거리 중심으로 Split을 배치하는 것이다.
Target Device에서 Cascade별 Draw, Main Light Shadow Pass 시간, 경계와 Shimmering을 함께 측정해야 한다.