Shadow map 原理与实现流程

摘自 GPU 编程与CG 语言之阳春白雪下里巴人 13.3 Shadow map 原理与实现流程

使用 Shadow Map 技术渲染阴影主要分两个过程：生成 depth map(深度图)
和使用 depth map 进行阴影渲染。
生成 depth map 的流程为：

1. 以光源所在位置为相机位置，光线发射方向为观察方向进行相机参数设置；2. 将世界视点投影矩阵 worldViewProjMatrix 传入顶点着色程序中，并在其中计算每个点的投影坐标，投影坐标的 Z 值即为深度值（将 Z 值保存为深度值只是很多方法中的一种）。在片段 shadow 程序中将深度值进行归一化即转化到【0，1】区间。然后将深度值赋给颜色值（ Cg 最的颜色值范围在0-1 之间）。    这里有一点要留心： depth map 中保存的深度值到底是什么？很多文献都将depth map 深度值解释成 Z Buffer 中的 Z 值，我对这种解释一直持怀疑态度！并不是说这种解释不对，而是指“这种解释有以偏概全的嫌疑”。我们通常所说的距离是指笛卡尔坐标空间中的欧几里得距离（ Euclidean distance）， Z 值本身并不是这个距离（参阅第 2.4.2 节），此外我在研究 GPU 算法的过程中，看到的关于depth map 中保存的深度值的计算方法远不止一种，有些直接计算顶点到视点的距离，然后归一化到【 0， 1】空间，同样可以有效的用于深度比较。由此可见，depth map 中保存的深度值，是衡量“顶点到视点的距离”相对关系的数据，计算深度值的重点在于“保证距离间相对关系的正确性”， 至于采用什么样的计算方法倒在其次3. 从 frame buffer 中读取颜色值，并渲染到一张纹理上，就得到了 depthmap。注意：在实际运用中，如果遇到动态光影，则 depth map 通常是实时计算的，这就需要场景渲染两次，第一次渲染出 depth map，然后基于 depth map 做阴影渲染。

渲染 depth map 的顶点着色程序和片段着色程序分别为：
vertex shader

void main_v(float4 position : POSITION,out float4 oPosition : POSITION,out float2 depth : TEXCOORD0,uniform float4x4 worldViewProj ){oPosition = mul(worldViewProj, position);// 存放深度值depth.x = oPosition.z;depth.y = oPosition.w;}

fragment shader

void main_f(float2 depth : TEXCOORD0,out float4 result : COLOR,uniform float pNear ,uniform float pFar,uniform float depthOffset ){float depthNum = 0.0;//归一化到 0-1 空间depthNum = (depth.x - pNear) / (pFar - pNear);depthNum += depthOffset;result.xyz = depthNum.xxx;result.w = 1.0;}

在Fragment shader中，有一个外部输入变量 depthOffset，该变量表示深度值的偏移量， 这时因为： 将深度值写入纹理颜色， 会导致数据精度的损失，所以需要加上一个深度偏移量。这个偏移量自己设定，通常是 0.01 之类的微小数据。

使用 depth map 进行阴影渲染的流程为：

1. 将纹理投影矩阵传入顶点着色程序中。注意，这个纹理投影矩阵，实际上就是产生深度图时所使用的 worldViewProjMatrix 矩阵乘上偏移矩阵 （具体参见第 13 章），根据纹理投影矩阵，和模型空间的顶点坐标，计算投影纹理坐标和当前顶点距离光源的深度值 lenth2（深度值的计算方法要和渲染深度图时的方法保持一致）。2. 将 depth map 传入片段着色程序中，并根据计算好的投影纹理坐标，从中获取颜色信息，该颜色信息就是深度图中保存的深度值lenth1 。3. 比较两个深度值的大小，若lenth2 大于 lenth1 ，则当前片断在阴影中；否则当前片断受光照射。

顶点着色程序和片段着色程序如下所示：
vertex shader

void main_v(float4 position : POSITION,float4 normal : NORMAL,float2 tex : TEXCOORD,out float4 outPos : POSITION,out float4 outShadowUV : TEXCOORD0,uniform float4x4 worldMatrix,uniform float4x4 worldViewProj,uniform float4x4 texViewProj){outPos = mul(worldViewProj, position);float4 worldPos = mul(worldMatrix, position);// 计算投影纹理坐标outShadowUV = mul(texViewProj, worldPos);}

fragment shader

void main_f(float4 position : POSITION,float4 shadowUV : TEXCOORD0,out float4 result : COLORuniform sampler2D shadowMap ,uniform float pNear ,uniform float pFar,uniform float depthOffset,uniform int pixelOffset){//计算当前顶点和光源之间的距离（相对）float lightDistance = (shadowUV.z - pNear) / (pFar - pNear);lightDistance = lightDistance - depthOffset;shadowUV.xy = shadowUV.xy/ shadowUV.w;//进行多重采样，减小误差float4 depths = float4(tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(-pixelOffset, 0)).x,tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(pixelOffset, 0)).x,tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(0, -pixelOffset)).x,tex2D(shadowMap, shadowUV.xy + float2(0, pixelOffset)).x);float centerdepth = tex2D(shadowMap, shadowUV.xy).x;//进行深度比较float l_Lit = (lightDistance >= centerdepth? 0 : 1);l_Lit += (lightDistance >= depths.x? 0 : 1);l_Lit += (lightDistance >= depths.y? 0 : 1);l_Lit += (lightDistance >= depths.z? 0 : 1);l_Lit += (lightDistance >= depths.w? 0 : 1);l_Lit *= 0.2f;result = float4(l_Lit, l_Lit, l_Lit, 1.0);}

Shadow map 方法的优点是可以使用一般用途的图形硬件对任意的阴影进行绘制，而且创建阴影图的代价与需要绘制的图元数量成线性关系，访问阴影图的时间也固定不变。此外，可以在基于该方法进行改进，创建软阴影效果。所谓软阴影就是光学中的半影区域。如果实时渲染软阴影，并运用到游戏中，是目前光照渲染领域的一个热门研究方向。

但 Shadow map 方法同样存在许多不足之处：

其一： 阴影质量与阴影图的分辨率有关， 所以很容易出现阴影边缘锯齿现象；
其二：深度值比较的精确度和正确性，有赖于 depth map 中像素点的数据精度，当生成深度图时肯定会造成数据精度的损失。要知道，深度值最后都被归一化到 0， 1 空间中，所以看起来很小的精度损失也会影响数据比较的正确性，尤其是当两个点相聚非常近时，会出现 z-fighting 现象。所以往往在深度值上加上一个偏移量，人为的弥补这个误差；
其三：自阴影走样（ Self-shadow Aliasing） ,光源采样和屏幕采样通常并不一定在完全相同的位置，当深度图保存的深度值与观察表面的深度做比较时，其数值可能会出现误差，而导致错误的效果，通常引入偏移因子来避免这种情况；
其四：这种方法只适合于灯类型是聚光灯（ Spot light ）的场合。如果灯类型是点光源（ Point light）的话，则在第一步中需要生成的不是一张深度纹理，是一个立方深度纹理（ cube texture）。如果灯类型是方向光（ Directional light）的话,，则产生深度图时需要使用平行投影坐标系下的 worldViewProjMatrix 矩阵；

当前广泛使用的阴影算法中有一种被称之为模板（ stencil）阴影算法。模板阴影算法在游戏中得到广泛的使用，在当前主流的开源图形引擎中，基本都集成了该算法。为了对比 shadow map 方法，特地在本书的附录 C 中对其进行阐述。

资源下载:http://download.csdn.net/detail/me_badman/9779319