本文简述实现，具体步骤原理可查看闫大神高质量实时渲染。

一、PCSS简介

1.1 PCF

百分比渐近过滤(PCF)是一个简单，常见的进行阴影边缘反走的技术。它通过在片段周围进行采样，然后计算样本比片段的更接近光源的比例，使用这个比例对散射光和镜面光成分进行缩放，然后对片段进行着色。使用这一技术后，阴影边缘看上去进行了模糊一样。

但对于较大物体的内部的采样是一个较大的浪费，我们并无法只针对物体边界进行采样，所以在性能是具有很大的瓶颈。

1.2 PCSS

pcss是距离相关的，它通过搜索阴影贴图上的附近区域来尝试找到所有可能的遮挡物。这些遮挡物与该位置的平均距离用于确定样本区域宽度。随着平均遮挡物越来越远离接收物并且更靠近光线，样本的表面区域的宽度增大。

如果找不到遮挡物，则该位置完全点亮，无需进一步处理。类似地，如果位置完全被遮挡，则处理可以结束。否则，继续对感兴趣的区域进行采样并计算光的近似贡献。为了节省处理成本，样本区域的宽度可用于改变采样的数量。可以实现其他技术，例如，使用较低的采样率来获得不太重要的远距离软阴影。

具体实现步骤：

遮挡物平均深度计算；
半影区域计算；
适用性PCF采样；

其中需要注意的是：

半影区域计算如下图三角形比例关系：

遮挡物平均深度计算时的区域大小计算如下图（也可简化使用固定区域大小）：

二、代码实现

本部分仅讲述Shader实现，C+代码具体参照之前阴影相关文章。

2.1 shadow map pass

简单取shadow map：

顶点着色器：

#version 330 corein vec3 position;uniform mat4 modelViewProjection;void main()
{gl_Position = modelViewProjection * vec4(position, 1);
}

片元着色器：

#version 330 coreout float outDepth;void main()
{outDepth = gl_FragCoord.z;
}

2.2 pcss pass

使用shadow map求PCSS

顶点着色器：

#version 330 corein vec3 position;
in vec3 normal;
in vec2 texcoords;out vec2 vTexcoords;
out vec3 vNormal;
out vec3 vViewDir;
out vec3 vWorldPosition;
out vec3 vCameraPosition;uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
uniform vec3 eyePosition;void main()
{vTexcoords = texcoords;vNormal = (model * vec4(normal, 0)).xyz;vec4 worldPosition = model * vec4(position, 1.0f);vWorldPosition = worldPosition.xyz;vec4 cameraPosition = view * model * vec4(position, 1.0f);vCameraPosition = cameraPosition.xyz;vViewDir = normalize(eyePosition - vWorldPosition);gl_Position = projection * cameraPosition;
}

片元着色器中实现步骤基本与上述PCSS实现步骤一致，详见注释。

片元着色器：

#version 330 core#define NEAR 0.1#define HARD_SHADOWS 0
#define SOFT_SHADOWS 1in vec2 vTexcoords;
in vec3 vNormal;
in vec3 vViewDir;
in vec3 vWorldPosition;
in vec3 vCameraPosition;struct LightSource
{vec3 diffuseColor;float diffusePower;vec3 specularColor;float specularPower;vec3 position;int type;float size;};layout (std140) uniform LightSources
{LightSource lightSources[2];
};uniform sampler2D shadowMap0;
uniform samplerCube shadowCubeMap0;
uniform mat4 shadowMapViewProjection0;uniform mat4 invView;
uniform mat4 lightProjection;
uniform vec3 eyePosition;
uniform vec3 ambientColor = vec3(0.8,0.8,0.8);
uniform vec3 specularColor = vec3(1,1,1);
uniform float specularity = 0;
uniform float frustumSize = 1;
uniform sampler2D tex0;
uniform sampler1D distribution0;
uniform sampler1D distribution1;
uniform int numBlockerSearchSamples = 16;
uniform int numPCFSamples = 16;
uniform int displayMode = 0;
uniform int selectedLightSource = -1;out vec3 outColor;//随机采样数据
vec2 RandomDirection(sampler1D distribution, float u)
{return texture(distribution, u).xy * 2 - vec2(1);
}//常规光照处理
vec3 LightContribution(vec3 diffuseColor)
{float NdotL=max(0, dot(vNormal, normalize(vViewDir - lightSources[0].position)));return diffuseColor * lightSources[0].diffuseColor * lightSources[0].diffusePower * NdotL  + pow(NdotL, specularity) * specularColor * lightSources[0].specularColor * lightSources[0].specularPower;
}//坐标点转相机空间
vec3 ShadowCoords(mat4 shadowMapViewProjection)
{vec4 projectedCoords = shadowMapViewProjection * vec4(vWorldPosition, 1);vec3 shadowCoords = projectedCoords.xyz / projectedCoords.w;shadowCoords = shadowCoords * 0.5 + 0.5;return shadowCoords;
}//遮挡范围计算
float SearchWidth(float uvLightSize, float receiverDistance)
{return uvLightSize * (receiverDistance - NEAR) / eyePosition.z;
}//遮挡物平均深度查询
float FindBlockerDistance_DirectionalLight(vec3 shadowCoords, sampler2D shadowMap, float uvLightSize)
{int blockers = 0;float avgBlockerDistance = 0;float searchWidth = SearchWidth(uvLightSize, shadowCoords.z);for (int i = 0; i < numBlockerSearchSamples; i++){float z = texture(shadowMap, shadowCoords.xy + RandomDirection(distribution0, i / float(numBlockerSearchSamples)) * searchWidth).r;if (z < (shadowCoords.z - 0.002f)){blockers++;avgBlockerDistance += z;}}if (blockers > 0)return avgBlockerDistance / blockers;elsereturn -1;
}//PCF
float PCF_DirectionalLight(vec3 shadowCoords, sampler2D shadowMap, float uvRadius)
{float sum = 0;for (int i = 0; i < numPCFSamples; i++){float z = texture(shadowMap, shadowCoords.xy + RandomDirection(distribution0, i / float(numPCFSamples)) * uvRadius).r;sum += (z < (shadowCoords.z - 0.002f)) ? 1 : 0;}return sum / numPCFSamples;
}//ShadowMap
float ShadowMapping_DirectionalLight(vec3 shadowCoords, sampler2D shadowMap, float uvLightSize)
{float z = texture(shadowMap, shadowCoords.xy).x;return (z < (shadowCoords.z - 0.002f)) ? 0 : 1;
}//软阴影计算
float PCSS_DirectionalLight(vec3 shadowCoords, sampler2D shadowMap, float uvLightSize)
{// 遮挡物平均深度计算float blockerDistance = FindBlockerDistance_DirectionalLight(shadowCoords, shadowMap, uvLightSize);if (blockerDistance == -1)return 1;      // 半影区域计算float penumbraWidth = ((shadowCoords.z - blockerDistance) / blockerDistance) * uvLightSize;// PCFfloat uvRadius = penumbraWidth * NEAR / shadowCoords.z;return 1 - PCF_DirectionalLight(shadowCoords, shadowMap, uvRadius);
}void main()
{vec3 diffuseColor = texture(tex0, vTexcoords).rgb;switch (displayMode){case HARD_SHADOWS: //硬阴影outColor = LightContribution(diffuseColor) * ShadowMapping_DirectionalLight(ShadowCoords(shadowMapViewProjection0), shadowMap0, lightSources[0].size / frustumSize);break;case SOFT_SHADOWS:  //软阴影outColor = LightContribution(diffuseColor) * PCSS_DirectionalLight(ShadowCoords(shadowMapViewProjection0), shadowMap0, lightSources[0].size / frustumSize);break;default:outColor = vec3(0.3,0.3,0.3);}outColor += ambientColor*diffuseColor;
}

运行可见如下效果(32采样范围，面光源默认大小0.5)：

对比原有shadow map效果：

再放一张低PCF效果(4采样范围，面光源默认大小0.5)：

大家可以从帧率上明显看出PCFF的耗时，后续可有时间的话继续使用VSSM方法来优化PCSS第一步blocker search 和第三部pcf采样的耗时。

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