OpenGL基础53：阴影映射（下）

接上文：OpenGL基础52：阴影映射（上）

五、阴影失真

按照上文的计算的结果，一个很明显的问题是：对于参与计算深度贴图的物体，其表面可以看到这样的栅格状的阴影，这种常见的错误表现也叫做阴影失真(Shadow Acne)

出现这种请情况的原因是：在计算深度贴图的时候，分辨率不够高，毕竟这张深度贴图是对于整个场景而言的，想要一一对应到每个模型的每个片段就是个不可能的事，这样对于实际的模型的多个片段，就都会从深度贴图中的同一个坐标去采样，如果这些相邻片段的实际深度值一致那其实不会有什么问题，但由于光照角度的问题，这些相邻片段的深度值就会是不一样的，因此之前的比较方法在这里就会将部分片段给算在了阴影之中

解决方法也比较容易想到：多个相邻片段它们就算深度不同，但是它们的深度肯定是非常接近的，因此在计算当前片段是否被遮挡时，可以允许一定的误差

例子使用的是平行光，在平行光刚好垂直于表面时，相邻片段的深度值就是一样的，而光照倾斜角度越大，计算得到深度值差也就越大，所以可以在光照角度越接近于法向量时，使用更小的误差值

代码修改如下（就加了个bias的计算）：

float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(normalIn, lightDir)), 0.005);
float shadow = currentDepth - bias > closestDepth ? 0.75 : 0.0;

如果对产生的原因没有怎么明白，可以参考上面的图片：上图光照对于平面的倾斜角大约是45°，那么图中的 bias 的值就可以理解为当前实际片段与对应深度贴图采样片段的深度差，如果这个差是负数，那么当前的片段就会被归于被遮挡的片段

悬浮：

使用了上面的误差参与计算，也就相当于是对物体的实际深度进行了整体平移，如果这个误差值定义的过大了，就会有得到种物体“悬浮”的错觉：阴影有一点对不上实际的物体，因此误差值在保证解决了阴影失真的情况下要尽可能的小

当然还有个非常tricks的方法一样可以解决大部分情况下的阴影失真问题，还不会产生上面悬浮的效果：那就是在渲染深度贴图的时候是开启正面剔除，而非背面剔除，也就是永远使用物体的背面来计算深度

当然了，这种方法只对封闭的物体有效，并且接近阴影的物体仍然可能会出现不正确的效果，所以需要注意使用场景，不过大部分情况下并没有人会去关心理应不可能被看到的物体内部

上图为解决了阴影失真/悬浮的渲染结果

六、采样错误

这算是一个注意事项：

因为使用的是正交投影，所以要注意投影的范围一定尽可能的把场景中的所有物体包住，否则没有包住的部分就无法从深度贴图中采样，当然了，为了避免范围外的物体呈现完全的阴影，那么可以在设置深度贴图环绕方式为GL_CLAMP_TO_BORDER，也就是让所有超出深度贴图的坐标的深度范围是1.0，这样超出的坐标将永远不在阴影之中

除此之外，着色器部分也可以进行对应的修改，如果投影向量的z坐标大于1.0，就直接把shadow的值强制设为0.0，因为这部分的纹理已经超出了正交投影的远平面

float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace, vec3 lightDir)
{//……float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(normalIn, lightDir)), 0.005);float shadow = currentDepth - bias > closestDepth ? 0.75 : 0.0;if(projCoords.z > 1.0)shadow = 0.0;return shadow;
}

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
GLfloat borderColor[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, borderColor);

七、百分比渐近过滤（PCF）

仔细看这个阴影，可以发现它的边缘非常的“锋利”，并且还呈现明显的锯齿状，而在现实世界里，阴影往往都是柔和的，越是离物体表面越远则边缘越“软”

产生锯齿的原因和前面的阴影失真原因一样：深度贴图有一个固定的分辨率，从而在计算阴影时多个相邻片段就会只对应到一个纹理像素，理论上把深度贴图的分辨率调高就能有效缓解锯齿的现象

另一个简单的解决方案叫做百分比渐近过滤(PCF)，它是一个比较的常见的进行阴影边缘反走的技术，原理是从深度贴图中多次采样，并且每一次采样的纹理坐标都稍有不同，这样每个独立的样本可能在也可能不再阴影中，所有的次生结果接着结合在一起进行平均化，就得到了相对柔和的阴影

一个最简单的PCF例子如下：

float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace, vec3 lightDir)
{// 执行透视除法vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;// 变换到[0,1]的范围projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;// 取得当前片段在光源视角下的深度float currentDepth = projCoords.z;// 检查当前片段是否在阴影中float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(normalIn, lightDir)), 0.005);float shadow = 0.0;vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);for(int x = -1; x <= 1; ++x){for(int y = -1; y <= 1; ++y){float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r; shadow += currentDepth - bias > closestDepth ? 0.75 : 0.0;    }    }shadow /= 9.0;if(projCoords.z > 1.0)shadow = 0.0;return shadow;
}

可以说和抗锯齿的方式有点相似

当然这只是最简单的PCF实现，对于下图中的效果，如果从一个较远的距离去观察阴影，就可以发现它没有那么生硬了，看起来要自然的多

八、扩展

关于阴影的实现，可以扩展的就可太多了，哪怕是已经介绍的方案与解决方法，仍然有可优化的空间，不过这两章至少是实现了最简单的阴影。总之，在此之后还是要注重方法而不是openGL本身，如果是换一个图形接口，又或者是用游戏引擎来实现一样的效果，也要能够很轻松的实现

光源烘培：

如果打过ACM，又或者解决过一些项目中的数据读取问题，都知道有一个很经典的方法叫做离线打表，也就是先运行一次打表代码，运算出一些重要的数据记录到本地，然后等到真正需要这些数据来解决问题的时候，直接读取之前打出来的数据即可，这个方法可以说比较tricks，之前一个很经典的题目：2017百度之星资格赛：1005. 寻找母串（卡特兰数+分块打表）有兴趣的话可以去看下

为什么要提到这个呢？因为在渲染领域，有一个很经典的方法叫做光源烘培，是和离线打表一样的原理

思考一下：是不是对于游戏的场景，极大多数的模型（墙壁、地面、路灯）等它们属性和位置是永远不会改变的？这也意味着，除非玩家从旁边走过，又或者游戏中有天气环境变化等，它们的渲染效果也是永远不会变的（其实哪怕是环境有改变，一个属性不变的光源对附近一个属性不变的静态物体产生的光效，也是不变的）

所以很多情况下，可以离线渲染出深度贴图，甚至是离线计算出模型每一个片段带光照的实际颜色，然后直接以贴图文件的形式存入本地，这样等真正运行游戏时，就可以直接使用这张贴图作为最终颜色，不但不需要专门的帧缓冲去重新生成深度贴图，也不需要在着色器中计算对应物体的漫反射光照和镜面光照了

好处很明显，其一是省去了实时渲染的复杂度，这是一个很好的优化，其二就是离线渲染没有复杂度要求，你甚至可以直接模拟每一条光线或者使用非常复杂的算法，只要能最后够烘培出很好的效果就都不是问题

坏处的话的也很明显：

无法渲染出镜面光照，因为这和视角有关
接上，静态物体无法折射出动态的游戏对象与坏境，也无法产生对应的阴影
光照结果是死的，没有生机感
……

关于光源烘培对于动态游戏对象的效果，有个妥协方案叫做光照探针，有兴趣的话可以去了解下

一句话总结：如果是静态物体+属性不变的区域光，可以直接现烘培出光照结果，得到对应的光照贴图/深度贴图，而不再需要在每帧中单独去计算