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作业1框架下实现PCF
作业1框架下实现PCSS
在QT下使用PCF
- 代码
- 结果
在QT下使用PCSS
- 代码
- 结果
采用低通采样
- PCF使用低通采样
- - 代码
  - 结果
- PCSS
- 代码
- 结果
- - 采样数20
  - 采样数100
frag完整代码
- 问题

作业1框架下实现PCF

200采样数（特别卡）

20采样数（有噪点）

50采样数

作业1框架下实现PCSS

可以看出在脚附近的阴影为硬阴影，而头部附近的阴影为软阴影。
20x20 采样数100（卡）

20x20 采样数20（还好）

在QT下使用PCF

代码

计算光照颜色

  // 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;// 计算阴影float shadow = PCSS(projCoords);//float shadow = PCF(projCoords,5);vec3 lighting = (ambient + (1.0 - shadow) * (diffuse + specular));return lighting;

采用PCF算法，r为抗锯齿矩形半径。

float PCF(vec3 projCoords,int r)
{// 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;// 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(Normal, -dirLight.direction)), 0.005);//PCFfloat shadow = 0.0;vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);//每像素偏移距离for(int x = -r; x <= r; ++x){for(int y = -r; y <= r; ++y){float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;shadow += currentDepth - bias > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;}}shadow /= (2*r+1)*(2*r+1);//远平面矫正if(projCoords.z > 1.0)shadow = 0.0;return shadow;
}

结果

在QT下使用PCSS

代码

float PCSS(vec3 projCoords){const float weightOfLight = 10.0;// 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;// 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(Normal, -dirLight.direction)), 0.005);//每像素偏移距离vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);//PCSS核心算法float visibility = 0.0;//第一步计算平均遮挡物深度float averBlocker = averageBlockDep(projCoords,texelSize);//第二步，计算半影半径float penumbra = (projCoords.z - averBlocker) * weightOfLight / averBlocker;//第三步 PCFvisibility = PCF(projCoords,int(penumbra));return visibility;
}

结果

由于我们的采样方式使用了矩形区域采样，因此当阴影重叠较大时，会出现如下情况。

采用低通采样

PCF使用低通采样

代码

//全局参数
vec2 poissonDisk[NUM_SAMPLES];//传入一个二维数，传出一个假随机数。
highp float rand_2to1(vec2 uv ) {// 0 - 1const highp float a = 12.9898, b = 78.233, c = 43758.5453;highp float dt = dot( uv.xy, vec2( a,b ) );highp float sn = mod( dt, PI );return fract(sin(sn) * c);//只取小数部分（取值范围0~1，若为负+1）
}//获取泊松采样数组，生成（a,b）|(a^2+b^2<1) 的二维数组
void poissonDiskSamples(const in vec2 randomSeed){float ANGLE_STEP = PI2 * float(NUM_RINGS)/float( NUM_SAMPLES);//角位移大小float INV_NUM_SAMPLES = 1.0 / float(NUM_SAMPLES); //采样数的倒数float angle = rand_2to1(randomSeed) * PI2;//初始角度（弧度）float radius = INV_NUM_SAMPLES;//初始半径float radiusStep = radius;     //半径增量for( int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i ++ ) {poissonDisk[i] = vec2( cos( angle ), sin( angle ) ) * pow( radius, 0.75 );radius += radiusStep;//半径增加angle += ANGLE_STEP;//弧度增加}
}

该泊松采样方式如下，初始弧度为随机数，⚪半径为1.
NUM_RINGS 为采样圈数

float PCF(vec3 projCoords,int r)
{// 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;// 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(Normal, -dirLight.direction)), 0.005);//PCFpoissonDiskSamples(projCoords.xy);//获取泊松采样数组float shadow = 0.0;vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);//每像素偏移距离for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;i++){float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + r * poissonDisk[i] * texelSize).r;shadow += currentDepth - bias > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;}//远平面矫正if(projCoords.z > 1.0)shadow = 0.0;return shadow;
}

结果

采样数 20
采样圈数 10

当滤波步长（r）为1时
当滤波步长为5时
当滤波为20时，当光线处于一定角度，地面出现黑色线条

调整光线角度后，黑色线条消失。（应该是在计算是误将地板上阴影深度大于计算点阴影深度的点算入，造成自阴影，解决办法是加大bias，或减小滤波大小）。

PCSS

在PCSS中计算中，第一步计算平均遮挡物深度也需要用到低通采样。

代码

float averageBlockDep(vec3 projCoords,vec2 texelSize){float blockerZ = 0.0;//遮挡物总深度int count = 0;int r=5;//确定半径为5//在一定范围内判断是否有遮挡物poissonDiskSamples(projCoords.xy+vec2(0.1314,0.351));for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;++i){float depth = texture(shadowMap, projCoords.xy + r * poissonDisk[i] * texelSize).r;if(depth < projCoords.z){//如果为遮挡物count++;blockerZ +=depth;}}if(count == 0||count==(r*2+1)*(r*2+1))return 1.0f;return blockerZ / count;
}

结果

采样数20

#define NUM_SAMPLES 20

采样数100

#define NUM_SAMPLES 100

噪点减少，但帧数卡顿

与矩形均匀采样相比

低通采样优点：低通采样可变性更强，采样阴影结果更圆滑（更真实）。
低通采样缺点：采样数较低时容易遭受噪点，较高时对于小滤波（脚底阴影）造成性能浪费，且影响性能程度较大。

但噪点在当前并不是一个很大的问题，因为在之后会接触时序降噪，空间降噪等，早申不会是很大的问题。（即使当前看起来使用低通滤波效果较差）。

frag完整代码

该shader只计算了平行光的阴影，对于点光源并未处理阴影。

#version 450 corestruct Material {vec3 color;float shiness;
};struct DirLight {bool Activated;vec3 direction;vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;
};struct PointLight {vec3 position;vec3 lightnormal;vec3 ambient;vec3 diffuse;vec3 specular;float constant;float linear;float quadratic;
};//顶点信息
in vec3 Normal;
in vec3 FragPos;
in vec2 TexCoords;in vec4 FragPosLightSpace;
uniform sampler2D shadowMap;
//输出
out vec4 FragColor;//视点
uniform vec3 viewPos;
//平行光
uniform DirLight dirLight;//点光源
uniform PointLight pointLights[16];
uniform int numPointLights;uniform Material material;#define PI 3.141592653589793
#define PI2 6.283185307179586//采样数
#define NUM_SAMPLES 100
//采样圈数
#define NUM_RINGS 10//函数申明
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir);
vec3 CalcPointLight(PointLight light,vec3 normal, vec3 fragPos,vec3 viewDir);
float PCF(vec3 projCoords,int r);
float PCSS(vec3 projCoords);
float averageBlockDep(vec3 projCoords,vec2 texelSize);
void poissonDiskSamples(const in vec2 randomSeed);//全局参数
vec2 poissonDisk[NUM_SAMPLES];highp float rand_2to1(vec2 uv ) {//传入一个二维数，传出一个假随机数。// 0 - 1const highp float a = 12.9898, b = 78.233, c = 43758.5453;highp float dt = dot( uv.xy, vec2( a,b ) );highp float sn = mod( dt, PI );return fract(sin(sn) * c);//只取小数部分（取值范围0~1，若为负+1）
}void poissonDiskSamples(const in vec2 randomSeed){float ANGLE_STEP = PI2 * float(NUM_RINGS)/float( NUM_SAMPLES);//角位移大小float INV_NUM_SAMPLES = 1.0 / float(NUM_SAMPLES); //采样数的倒数float angle = rand_2to1(randomSeed) * PI2;//初始角度（弧度）float radius = INV_NUM_SAMPLES;//初始半径float radiusStep = radius;     //半径增量for( int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i ++ ) {poissonDisk[i] = vec2( cos( angle ), sin( angle ) ) * pow( radius, 0.75 );radius += radiusStep;//半径增加angle += ANGLE_STEP;//弧度增加}
}void main()
{// propertiesvec3 norm = normalize(Normal);vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);//片元点指向视点vec3 result = vec3(0,0,0);// phase 1: parallel lightsif(dirLight.Activated){result += CalcDirLight(dirLight, norm, viewDir);}// phase 2: point lightsfor(int i = 0; i < numPointLights; i++){result += CalcPointLight(pointLights[i], norm, FragPos, viewDir);}FragColor = vec4(result,1.0);
}float averageBlockDep(vec3 projCoords,vec2 texelSize){float blockerZ = 0.0;//遮挡物总深度int count = 0;int r=5;//在一定范围内判断是否有遮挡物poissonDiskSamples(projCoords.xy+vec2(0.1314,0.351));for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;++i){float depth = texture(shadowMap, projCoords.xy + r * poissonDisk[i] * texelSize).r;if(depth < projCoords.z){//如果为遮挡物count++;blockerZ +=depth;}}if(count == 0||count==(r*2+1)*(r*2+1))return 1.0f;return blockerZ / count;
}float PCSS(vec3 projCoords){const float weightOfLight = 10.0;// 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;// 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(Normal, -dirLight.direction)), 0.005);//每像素偏移距离vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);//PCSS核心算法float visibility = 0.0;//第一步计算平均遮挡物深度float averBlocker = averageBlockDep(projCoords,texelSize);//第二步，计算半影半径float penumbra = (projCoords.z - averBlocker) * weightOfLight / averBlocker;//第三步 PCFvisibility = PCF(projCoords,int(penumbra));return visibility;
}float PCF(vec3 projCoords,int r)
{// 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;// 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(Normal, -dirLight.direction)), 0.005);//PCFfloat shadow = 0.0;vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);//每像素偏移距离poissonDiskSamples(projCoords.xy);for(int i=0;i<NUM_SAMPLES;i++){float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + r * poissonDisk[i] * texelSize).r;shadow += currentDepth - bias > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;}shadow /= float(NUM_SAMPLES);//远平面矫正if(projCoords.z > 1.0)shadow = 0.0;return shadow;
}//计算平行光源
vec3 CalcDirLight(DirLight light, vec3 normal, vec3 viewDir){//平行光反方向vec3 lightDir = normalize(-light.direction);//计算cos衰减float diff = max(dot(lightDir,normal),0.0);//反射方向vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,normal);//计算镜面反射系数float spec = pow(max(dot(viewDir,reflectDir),0.0),material.shiness);vec3 ambient = light.ambient * material.color;vec3 diffuse = light.diffuse * diff * material.color;vec3 specular = light.specular * spec * material.color;// 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;// 计算阴影float shadow = PCSS(projCoords);//float shadow = PCF(projCoords,20);vec3 lighting = (ambient + (1.0 - shadow) * (diffuse + specular));return lighting;
}//计算点光源
vec3 CalcPointLight(PointLight light,vec3 normal, vec3 fragPos,vec3 viewDir){//光源反方向vec3 lightDir = normalize(light.position - fragPos);float angleDecay = 1.0f;if(any(notEqual(light.lightnormal,vec3(0,0,0)))){angleDecay = max(dot(-lightDir,normalize(light.lightnormal)),0.0f);}float diff = max(dot(lightDir,normal),0.0);vec3 reflectDir = reflect(-lightDir,normal);float spec = pow(max(dot(reflectDir,viewDir),0.0),material.shiness);float distance = length(light.position - fragPos);float attenuation = 1.0/(light.constant + light.linear * distance + light.quadratic * (distance * distance));vec3 ambient = light.ambient * material.color;vec3 diffuse = light.diffuse * diff * material.color;vec3 specular = light.specular * spec * material.color;ambient *= attenuation;diffuse *= attenuation;specular *= attenuation;ambient *= angleDecay;diffuse *= angleDecay;specular *= angleDecay;return (ambient + diffuse + specular);
}

问题

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