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Update 01 Shadow Mapping.md
This commit is contained in:
jckcoenf
GitHub
@@ -42,7 +42,7 @@
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在右边的图中我们显示出同样的平行光和观察者。我们渲染一个点\(\bar{\color{red}{P}}\)处的片元，需要决定它是否在阴影中。我们先得使用\(T\)把\(\bar{\color{red}{P}}\)变换到光源的坐标空间里。既然点\(\bar{\color{red}{P}}\)是从光的透视图中看到的，它的z坐标就对应于它的深度，例子中这个值是0.9。使用点\(\bar{\color{red}{P}}\)在光源的坐标空间的坐标，我们可以索引深度贴图，来获得从光的视角中最近的可见深度，结果是点\(\bar{\color{green}{C}}\)，最近的深度是0.4。因为索引深度贴图的结果是一个小于点\(\bar{\color{red}{P}}\)的深度，我们可以断定\(\bar{\color{red}{P}}\)被挡住了，它在阴影中了。
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深度映射由两个步骤组成：首先，我们渲染深度贴图，然后我们像往常一样渲染场景，使用生成的深度贴图来计算片元是否在阴影之中。听起来有点复杂，但随着我们一步一步地讲解这个技术，就能理解了。
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阴影映射由两个步骤组成：首先，我们渲染深度贴图，然后我们像往常一样渲染场景，使用生成的深度贴图来计算片段是否在阴影之中。听起来有点复杂，但随着我们一步一步地讲解这个技术，就能理解了。
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## 深度贴图
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@@ -71,7 +71,7 @@ glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
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glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
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```
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生成深度贴图不太复杂。因为我们只关心深度值，我们要把纹理格式指定为GL_DEPTH_COMPONENT。我们还要把纹理的高宽设置为1024：这是深度贴图的解析度。
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生成深度贴图不太复杂。因为我们只关心深度值，我们要把纹理格式指定为GL_DEPTH_COMPONENT。我们还要把纹理的高宽设置为1024：这是深度贴图的。
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把我们把生成的深度纹理作为帧缓冲的深度缓冲：
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@@ -103,7 +103,7 @@ glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
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RenderScene();
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```
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这段代码隐去了一些细节，但它表达了阴影映射的基本思路。这里一定要记得调用glViewport。因为阴影贴图经常和我们原来渲染的场景（通常是窗口解析度）有着不同的解析度，我们需要改变视口（viewport）的参数以适应阴影贴图的尺寸。如果我们忘了更新视口参数，最后的深度贴图要么太小要么就不完整。
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这段代码隐去了一些细节，但它表达了阴影映射的基本思路。这里一定要记得调用glViewport。因为阴影贴图经常和我们原来渲染的场景（通常是窗口分辨率）有着不同的分辨率，我们需要改变视口（viewport）的参数以适应阴影贴图的尺寸。如果我们忘了更新视口参数，最后的深度贴图要么太小要么就不完整。
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### 光源空间的变换
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@@ -116,12 +116,12 @@ GLfloat near_plane = 1.0f, far_plane = 7.5f;
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glm::mat4 lightProjection = glm::ortho(-10.0f, 10.0f, -10.0f, 10.0f, near_plane, far_plane);
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```
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这里有个本节教程的demo场景中使用的正交投影矩阵的例子。因为投影矩阵间接决定可视区域的范围，以及哪些东西不会被裁切，你需要保证投影视锥（frustum）的大小，以包含打算在深度贴图中包含的物体。当物体和片元不在深度贴图中时，它们就不会产生阴影。
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这里有个本节教程的demo场景中使用的正交投影矩阵的例子。因为投影矩阵间接决定可视区域的范围，以及哪些东西不会被裁切，你需要保证投影视锥（frustum）的大小，以包含打算在深度贴图中包含的物体。当物体和片段不在深度贴图中时，它们就不会产生阴影。
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为了创建一个视图矩阵来变换每个物体，把它们变换到从光源视角可见的空间中，我们将使用glm::lookAt函数；这次从光源的位置看向场景中央。
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```c++
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glm::mat4 lightView = glm::lookAt(glm::vec(-2.0f, 4.0f, -1.0f), glm::vec3(0.0f), glm::vec3(1.0));
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glm::mat4 lightView = glm::lookAt(glm::vec(-2.0f, 4.0f, -1.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
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```
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二者相结合为我们提供了一个光空间的变换矩阵，它将每个世界空间坐标变换到光源处所见到的那个空间；这正是我们渲染深度贴图所需要的。
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@@ -130,7 +130,7 @@ glm::mat4 lightView = glm::lookAt(glm::vec(-2.0f, 4.0f, -1.0f), glm::vec3(0.0f),
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glm::mat4 lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;
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```
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这个lightSpaceMatrix正是前面我们称为\(T\)的那个变换矩阵。有了lightSpaceMatrix只要给shader提供光空间的投影和视图矩阵，我们就能像往常那样渲染场景了。然而，我们只关心深度值，并非所有片元计算都在我们的着色器中进行。为了提升性能，我们将使用一个与之不同但更为简单的着色器来渲染出深度贴图。
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这个lightSpaceMatrix正是前面我们称为\(T\)的那个变换矩阵。有了lightSpaceMatrix只要给shader提供光空间的投影和视图矩阵，我们就能像往常那样渲染场景了。然而，我们只关心深度值，并非所有片段计算都在我们的着色器中进行。为了提升性能，我们将使用一个与之不同但更为简单的着色器来渲染出深度贴图。
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### 渲染至深度贴图
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@@ -151,7 +151,7 @@ void main()
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这个顶点着色器将一个单独模型的一个顶点，使用lightSpaceMatrix变换到光空间中。
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由于我们没有颜色缓冲，最后的片元不需要任何处理，所以我们可以简单地使用一个空像素着色器：
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由于我们没有颜色缓冲，最后的片段不需要任何处理，所以我们可以简单地使用一个空片段着色器：
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```c++
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#version 330 core
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@@ -162,7 +162,7 @@ void main()
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}
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```
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这个空像素着色器什么也不干，运行完后，深度缓冲会被更新。我们可以取消那行的注释，来显式设置深度，但是这个（指注释掉那行之后）是更有效率的，因为底层无论如何都会默认去设置深度缓冲。
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这个空片段着色器什么也不干，运行完后，深度缓冲会被更新。我们可以取消那行的注释，来显式设置深度，但是这个（指注释掉那行之后）是更有效率的，因为底层无论如何都会默认去设置深度缓冲。
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渲染深度缓冲现在成了：
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@@ -179,11 +179,11 @@ glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
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这里的RenderScene函数的参数是一个着色器程序（shader program），它调用所有相关的绘制函数，并在需要的地方设置相应的模型矩阵。
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最后，在光的透视图视角下，很完美地用每个可见片元的最近深度填充了深度缓冲。通过将这个纹理投射到一个2D四边形上（和我们在帧缓冲一节做的后处理过程类似），就能在屏幕上显示出来，我们会获得这样的东西：
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最后，在光的透视图视角下，很完美地用每个可见片段的最近深度填充了深度缓冲。通过将这个纹理投射到一个2D四边形上（和我们在帧缓冲一节做的后处理过程类似），就能在屏幕上显示出来，我们会获得这样的东西：
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将深度贴图渲染到四边形上的像素着色器：
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将深度贴图渲染到四边形上的片段着色器：
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```c++
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#version 330 core
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@@ -201,11 +201,11 @@ void main()
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要注意的是当用透视投影矩阵取代正交投影矩阵来显示深度时，有一些轻微的改动，因为使用透视投影时，深度是非线性的。本节教程的最后，我们会讨论这些不同之处。
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你可以在[这里](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=advanced-lighting/shadow_mapping_depth_map)获得把场景渲染成深度贴图的源码。
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你可以在[这里](https://learnopengl.com/code_viewer_gh.php?code=src/5.advanced_lighting/3.1.1.shadow_mapping_depth/shadow_mapping_depth.cpp)获得把场景渲染成深度贴图的源码。
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## 渲染阴影
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正确地生成深度贴图以后我们就可以开始生成阴影了。这段代码在像素着色器中执行，用来检验一个片元是否在阴影之中，不过我们在顶点着色器中进行光空间的变换：
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正确地生成深度贴图以后我们就可以开始生成阴影了。这段代码在片段着色器中执行，用来检验一个片段是否在阴影之中，不过我们在顶点着色器中进行光空间的变换：
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```c++
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#version 330 core
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@@ -237,9 +237,9 @@ void main()
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}
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```
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这儿的新的地方是FragPosLightSpace这个输出向量。我们用同一个lightSpaceMatrix，把世界空间顶点位置转换为光空间。顶点着色器传递一个普通的经变换的世界空间顶点位置vs_out.FragPos和一个光空间的vs_out.FragPosLightSpace给像素着色器。
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这儿的新的地方是FragPosLightSpace这个输出向量。我们用同一个lightSpaceMatrix，把世界空间顶点位置转换为光空间。顶点着色器传递一个普通的经变换的世界空间顶点位置vs_out.FragPos和一个光空间的vs_out.FragPosLightSpace给片段着色器。
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像素着色器使用Blinn-Phong光照模型渲染场景。我们接着计算出一个shadow值，当fragment在阴影中时是1.0，在阴影外是0.0。然后，diffuse和specular颜色会乘以这个阴影元素。由于阴影不会是全黑的（由于散射），我们把ambient分量从乘法中剔除。
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片段着色器使用Blinn-Phong光照模型渲染场景。我们接着计算出一个shadow值，当fragment在阴影中时是1.0，在阴影外是0.0。然后，diffuse和specular颜色会乘以这个阴影元素。由于阴影不会是全黑的（由于散射），我们把ambient分量从乘法中剔除。
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```c++
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#version 330 core
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@@ -289,9 +289,9 @@ void main()
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}
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```
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像素着色器大部分是从高级光照教程中复制过来，只不过加上了个阴影计算。我们声明一个shadowCalculation函数，用它计算阴影。像素着色器的最后，我们我们把diffuse和specular乘以(1-阴影元素)，这表示这个片元有多大成分不在阴影中。这个像素着色器还需要两个额外输入，一个是光空间的片元位置和第一个渲染阶段得到的深度贴图。
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片段着色器大部分是从高级光照教程中复制过来，只不过加上了个阴影计算。我们声明一个shadowCalculation函数，用它计算阴影。片段着色器的最后，我们我们把diffuse和specular乘以(1-阴影元素)，这表示这个片段有多大成分不在阴影中。这个片段着色器还需要两个额外输入，一个是光空间的片段位置和第一个渲染阶段得到的深度贴图。
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首先要检查一个片元是否在阴影中，把光空间片元位置转换为裁切空间的标准化设备坐标。当我们在顶点着色器输出一个裁切空间顶点位置到gl_Position时，OpenGL自动进行一个透视除法，将裁切空间坐标的范围-w到w转为-1到1，这要将x、y、z元素除以向量的w元素来实现。由于裁切空间的FragPosLightSpace并不会通过gl_Position传到像素着色器里，我们必须自己做透视除法：
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首先要检查一个片段是否在阴影中，把光空间片段位置转换为裁切空间的标准化设备坐标。当我们在顶点着色器输出一个裁切空间顶点位置到gl_Position时，OpenGL自动进行一个透视除法，将裁切空间坐标的范围-w到w转为-1到1，这要将x、y、z元素除以向量的w元素来实现。由于裁切空间的FragPosLightSpace并不会通过gl_Position传到片段着色器里，我们必须自己做透视除法：
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```c++
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float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
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@@ -302,7 +302,7 @@ float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
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}
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```
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返回了片元在光空间的-1到1的范围。
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返回了片段在光空间的-1到1的范围。
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!!! Important
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@@ -321,13 +321,13 @@ projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
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float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;
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```
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为了得到片元的当前深度，我们简单获取投影向量的z坐标，它等于来自光的透视视角的片元的深度。
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为了得到片段的当前深度，我们简单获取投影向量的z坐标，它等于来自光的透视视角的片段的深度。
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```c++
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float currentDepth = projCoords.z;
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实际的对比就是简单检查currentDepth是否高于closetDepth，如果是，那么片元就在阴影中。
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实际的对比就是简单检查currentDepth是否高于closetDepth，如果是，那么片段就在阴影中。
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```c++
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float shadow = currentDepth > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
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@@ -344,9 +344,9 @@ float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
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projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
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// 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)
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float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;
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// 取得当前片元在光源视角下的深度
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// 取得当前片段在光源视角下的深度
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float currentDepth = projCoords.z;
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// 检查当前片元是否在阴影中
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// 检查当前片段是否在阴影中
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float shadow = currentDepth > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
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return shadow;
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@@ -357,7 +357,7 @@ float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
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如果你做对了，你会看到地板和上有立方体的阴影。你可以从这里找到demo程序的[源码](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=advanced-lighting/shadow_mapping_shadows)。
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如果你做对了，你会看到地板和上有立方体的阴影。你可以从这里找到demo程序的[源码](https://learnopengl.com/code_viewer_gh.php?code=src/5.advanced_lighting/3.1.2.shadow_mapping_base/shadow_mapping_base.cpp)。
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## 改进阴影贴图
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@@ -373,11 +373,11 @@ float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
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因为阴影贴图受限于解析度，在距离光源比较远的情况下，多个片元可能从深度贴图的同一个值中去采样。图片每个斜坡代表深度贴图一个单独的纹理像素。你可以看到，多个片元从同一个深度值进行采样。
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因为阴影贴图受限于分辨率，在距离光源比较远的情况下，多个片段可能从深度贴图的同一个值中去采样。图片每个斜坡代表深度贴图一个单独的纹理像素。你可以看到，多个片段从同一个深度值进行采样。
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虽然很多时候没问题，但是当光源以一个角度朝向表面的时候就会出问题，这种情况下深度贴图也是从一个角度下进行渲染的。多个片元就会从同一个斜坡的深度纹理像素中采样，有些在地板上面，有些在地板下面；这样我们所得到的阴影就有了差异。因为这个，有些片元被认为是在阴影之中，有些不在，由此产生了图片中的条纹样式。
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虽然很多时候没问题，但是当光源以一个角度朝向表面的时候就会出问题，这种情况下深度贴图也是从一个角度下进行渲染的。多个片段就会从同一个斜坡的深度纹理像素中采样，有些在地板上面，有些在地板下面；这样我们所得到的阴影就有了差异。因为这个，有些片段被认为是在阴影之中，有些不在，由此产生了图片中的条纹样式。
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我们可以用一个叫做**阴影偏移**（shadow bias）的技巧来解决这个问题，我们简单的对表面的深度（或深度贴图）应用一个偏移量，这样片元就不会被错误地认为在表面之下了。
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我们可以用一个叫做**阴影偏移**（shadow bias）的技巧来解决这个问题，我们简单的对表面的深度（或深度贴图）应用一个偏移量，这样片段就不会被错误地认为在表面之下了。
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@@ -470,13 +470,13 @@ float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
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## PCF
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阴影现在已经附着到场景中了，不过这仍不是我们想要的。如果你放大看阴影，阴影映射对解析度的依赖很快变得很明显。
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阴影现在已经附着到场景中了，不过这仍不是我们想要的。如果你放大看阴影，阴影映射对分辨率的依赖很快变得很明显。
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因为深度贴图有一个固定的解析度，多个片元对应于一个纹理像素。结果就是多个片元会从深度贴图的同一个深度值进行采样，这几个片元便得到的是同一个阴影，这就会产生锯齿边。
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因为深度贴图有一个固定的分辨率，多个片段对应于一个纹理像素。结果就是多个片段会从深度贴图的同一个深度值进行采样，这几个片段便得到的是同一个阴影，这就会产生锯齿边。
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你可以通过增加深度贴图解析度的方式来降低锯齿块，也可以尝试尽可能的让光的视锥接近场景。
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你可以通过增加深度贴图的分辨率的方式来降低锯齿块，也可以尝试尽可能的让光的视锥接近场景。
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另一个（并不完整的）解决方案叫做PCF（percentage-closer filtering），这是一种多个不同过滤方式的组合，它产生柔和阴影，使它们出现更少的锯齿块和硬边。核心思想是从深度贴图中多次采样，每一次采样的纹理坐标都稍有不同。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，我们就得到了柔和阴影。
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@@ -502,7 +502,7 @@ shadow /= 9.0;
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从稍微远一点的距离看去，阴影效果好多了，也不那么生硬了。如果你放大，仍会看到阴影贴图解析度的不真实感，但通常对于大多数应用来说效果已经很好了。
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从稍微远一点的距离看去，阴影效果好多了，也不那么生硬了。如果你放大，仍会看到阴影贴图分辨率的不真实感，但通常对于大多数应用来说效果已经很好了。
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你可以从[这里](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=advanced-lighting/shadow_mapping)找到这个例子的全部源码和第二个阶段的[顶点](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=advanced-lighting/shadow_mapping&type=vertex)和[片段](http://learnopengl.com/code_viewer.php?code=advanced-lighting/shadow_mapping&type=fragment)着色器。
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