Shadow Map 实现极其细节
这里不介绍算法原理，只说说在实现过程中遇到的问题，以及背后的原因。开发环境：opengl 2.0 glsl 1.0。
第一个问题：产生深度纹理。
在opengl中每一次离屏渲染需要向opengl提供一个renderframe，一个renderframe包含一个texture和一个renderbuffer.texture是一个存储特定数据的内存区，可以存储颜色，深度以及模版。renderbuffer目前不太清楚。
具体代码如下：
glGenFramebuffers(1, &frameBuff) ; glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, frameBuff) ; glGenTextures(1, &depthTxe) ; glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthTxe) ; glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT16 , mapWidth, mapHight, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, 0); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, depthTxe, 0); glDrawBuffer(GL_NONE) ; glReadBuffer(GL_NONE) ; GLenum result = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER); if( result == GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) { cout << "Framebuffer is complete.\n" << endl ; } else { cout <<"Framebuffer is not complete.\n" << endl ; }
这里需要注意的是，一定要加 glDrawBuffer(GL_NONE) ; glReadBuffer(GL_NONE) 。分别告诉opengl没有缓冲区接受或者读取颜色数据。因为我们需要的是深度数据。如果没有这两句，那么返回的result是not complete。
曾经尝试过使用 glTexImage2D 中使用 GL_RGB 而不是 GL_DEPTH_COMPONENT16 相应的下面的 glFramebufferTexture2D 也要使用 GL_COLOR_ATTACHMENT。在fragment shader中将片元的深度值写入color中。但是这样有个问题，就是精度不够，虽然数据是对的，精度在Shadow Map中有着极其重要的位置，稍后介绍。
问题二：各种坐标系的转化
这里涉及到两个变化过程。第一个是从物体坐标系－》世界坐标系－》灯光坐标系－》裁剪坐标系（齐次坐标系）－》cvv坐标系（透视除法后得到）。
另一个是物体坐标系－》世界坐标系－》摄像机坐标系－》裁剪坐标系（齐次坐标系）－》cvv坐标系（透视除法后得到）。
具体vertex shader 如下
varying vec3 normal ; varying vec4 lightVertex ; varying vec4 color ; varying vec4 worldCoord ; uniform mat4 lightProj; uniform mat4 lightView; const mat4 biasMatrix = mat4(0.5 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.5 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.5 , 0.0 , 0.5 , 0.5 , 0.5 , 1.0 ) ; void main() { worldCoord = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex ; normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal); lightVertex = lightProj * lightView * worldCoord ; lightVertex = lightVertex / lightVertex.w ; lightVertex = biasMatrix * lightVertex ; //lightVertex = lightVertex / lightVertex.w ; gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0 ; color = gl_Color ; gl_Position = gl_ProjectionMatrix * gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex ; }
这里需要注意的是glsl中没有提供从物体坐标系到世界坐标系的转化，gl_ModelViewMatrix实现的是从物体到相机坐标系的转化，在本次shadow map是实现过程中将一直保证摄像机在世界坐标系的原点位置，方向指向（0，0，－1），向上方向为（0，1，0）。也就是说摄像机和世界坐标系重合。
注意到 biasMatrix，这里可以推知两点：
（1）glsl中是采用列主序的方式存放矩阵的，也就是数据先放完第一列再放第二列。
（2）glsl纹理的坐标被映射到［0，1］之间。用本次shadow map举例，从灯光坐标系到齐次坐标系，经过裁剪以及透视除法后，得到的x,y,z的范围是在［－1，1］之间的，构成一个规范立方体（cvv），那么x ， y的值就是纹理在纹理内存中的位置，z就是伪深度，用于z-buffer。但是，opengl在渲染深度纹理时，将x，y，z映射到［0，1］之间，所以要用一个biasMatrix进行平移。
第三个问题：Shadow acne。
这个问题的原因如下图：
其中，斜线EF是物体表面，当一光柱照射到物体表面时，C点的深度值被写入shadow map中（这里有一个概念：texle ， texture element，可以理解为一个像素）。但是，当从摄像机坐标系中看到D点时，通过坐标系转化到shadow map中 ，D点比C点的值远离光源。这样就造成了shadow acne。效果如下：
这时要加上一个偏移两bias，具体计算在fragment shader中，其中的m时具体情况具体调整的，时经验值。
问题四：阴影有锯齿。
如下图：
改进方法时使用多次采样，可以使用采样次sampler2Dshadow，内部会采样一个像素周围的几个像素。也可以使用本次代码中的poissonDisk进行优化。效果如下
这个poissonDisk（柏松盘采样）内容目前不太了解，貌似效果还不错。
学习心得：在碰到一个新技术时，最好把其最简单的部分实现，然后看看有什么问题，然后慢慢优化。如果不动手实现，很难体会资料上描述的问题的现象，更不用说问题产生的原因。
一下时全部代码：
#include <GLUT/GLUT.h> #include <iostream> #include "LoardShaderProgram.h" #include "BW_READBMP.h" using namespace std ; struct COLOR { float r , g , b, w ; } ; float rot = 0.1 ; float transX = 0 ; float transY = 0 ; float transZ = 0 ; GLint program ; GLint lightPosLoc ; GLint lightAmbientLoc ; GLint lightLambertLoc ; GLint lightProjLoc ; GLint lightViewLoc ; GLint mLoc ; GLint ksLoc ; GLint kdLoc ; GLint kaLoc ; GLint texLoc ; GLint tex ; GLint mapWidth = 1024; GLint mapHight = 1024; GLuint depthTxe ; GLuint frameBuff ; GLfloat lightProj[16] ; GLfloat lightView[16] ; float alf = 0 ; float ks = 1; float kd = 0.5 ; float ka = 1.0 ; float m = 0.0035410088 ; COLOR lightPos ; void DrawSence() { glTranslated(0, 0, -8) ; glBegin(GL_QUADS); glColor3f(1, 0, 0) ; // ground //glNormal3f( 0.0f, 0.0f, 1.0f); glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glNormal3f(0, 1, 0) ; glVertex3f(4.0f, -2.0f, -4.0f); glNormal3f(0, 1, 0) ; glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f( -4.0f, -2.0f, -4.0f); glNormal3f(0, 1, 0) ; glTexCoord2f(1.0f, 1.0f); glVertex3f( -4.0f, -2.0f, 4.0f); glNormal3f(0, 1, 0) ; glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(4.0f, -2.0f, 4.0f); glEnd() ; glTranslated(transX, transY , transZ) ; glRotatef(rot,1.0,0.0,1.0); glutSolidTeapot(1); } void ProcessKeyboard(unsigned char key,int x,int y) { if (key == 'x' || key == 'X') { rot += 0.8; } if (key == 'c' || key == 'C') { m += 0.00001 ; } if (key == 'd' || key == 'D') { m -= 0.00001 ; } if (key == 'u' || key == 'U') { transX += 0.3 ; } if (key == 'i' || key == 'I') { transX -= 0.3 ; } if (key == 'j' || key == 'J') { transY += 0.3 ; } if (key == 'k' || key == 'K') { transY -= 0.3 ; } if (key == 'o' || key == 'O') { transZ += 0.3 ; } if (key == 'p' || key == 'P') { transZ -= 0.3 ; } glutPostRedisplay() ; } void ReSizeScene(int width , int height) { if( height==0 ) { height=1; }//if //设置视口 glViewport(0,0,width,height); //设置透视矩阵 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); gluPerspective(45.0f,(GLfloat)width/(GLfloat)height,0.1f,100.0f); //开始对模型矩阵进行操作 glMatrixMode(GL_MODELVIEW); //复位 glLoadIdentity(); } void GenDepthMap() { lightPos.r = 5; lightPos.g = 5; lightPos.b = -5; lightPos.w = 1; glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, frameBuff) ; glDrawBuffer(GL_NONE) ; glViewport(0, 0, mapWidth, mapHight) ; glMatrixMode(GL_PROJECTION) ; glLoadIdentity() ; gluPerspective(90, 4.0/3, 0.1, 100) ; glGetFloatv(GL_PROJECTION_MATRIX, lightProj) ; glMatrixMode(GL_MODELVIEW) ; glLoadIdentity() ; gluLookAt(lightPos.r, lightPos.g, lightPos.b, 0, 0, -10, 0, 1, 0) ; glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX,lightView) ; glDisable(GL_TEXTURE_2D) ; // glUseProgram(shadowPro) ; glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0 ); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT) ; DrawSence() ; glUseProgram(0) ; glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0) ; glDrawBuffer(GL_FRONT) ; } void ShowSence() { ReSizeScene(400, 300) ; COLOR lightAmbient , lightLambert ; COLOR CameralDir , CameralPos; lightAmbient.r = 0.1;lightAmbient.g = lightAmbient.b = 0.1; lightAmbient.w = 1 ; lightLambert.r = 1 ; lightLambert.g = lightLambert.b = 1 ;lightLambert.w = 1 ; CameralDir.r = 0 ; CameralDir.g = 0 ; CameralDir.b = -1 ; CameralDir.w = 0 ; CameralPos.r = 0 ; CameralPos.g = 0 ; CameralPos.b = 0 ; CameralPos.w = 1 ; ka = 1 ; kd = 0.7 ; ks = 0.4 ; tex = 0 ; glActiveTexture(GL_TEXTURE0) ; glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthTxe) ; glUseProgram(program) ; glUniform4f(lightPosLoc, lightPos.r, lightPos.g, lightPos.b, lightPos.w) ; glUniform4f(lightAmbientLoc, lightAmbient.r, lightAmbient.g, lightAmbient.b, lightAmbient.w) ; glUniform4f(lightLambertLoc, lightLambert.r, lightLambert.g, lightLambert.b, lightLambert.w) ; glUniformMatrix4fv(lightProjLoc, 1, GL_FALSE, lightProj) ; glUniformMatrix4fv(lightViewLoc, 1, GL_FALSE, lightView) ; glUniform1f(mLoc, m) ; glUniform1f(kdLoc, kd) ; glUniform1f(ksLoc, ks) ; glUniform1f(kaLoc, ka) ; glUniform1i(texLoc , tex) ; gluLookAt(CameralPos.r, CameralPos.g , CameralPos.b, CameralDir.r, CameralDir.g , CameralDir.b, 0 ,1 , 0 ) ; glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT) ; DrawSence() ; glUseProgram(0) ; glFlush(); } void display() { GenDepthMap() ; ShowSence() ; } void InitScene() { glClearColor(1.0, 1.0, 0.0, 1.0) ; glGenFramebuffers(1, &frameBuff) ; glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, frameBuff) ; glGenTextures(1, &depthTxe) ; glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthTxe) ; glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT16 , mapWidth, mapHight, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, 0); glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, depthTxe, 0); glDrawBuffer(GL_NONE) ; glReadBuffer(GL_NONE) ; GLenum result = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER); if (result == GL_FRAMEBUFFER_INCOMPLETE_READ_BUFFER) { cout << "frambuffer GL_FRAMEBUFFER_INCOMPLETE_DRAW_BUFFER " << endl ; } if( result == GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) { cout << "Framebuffer is complete.\n" << endl ; } else { cout <<"Framebuffer is not complete.\n" << endl ; } glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0) ; glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0) ; SHADERINFO shaderInfo[2] ; shaderInfo[0].shader_type = GL_VERTEX_SHADER ; shaderInfo[0].name = "ShadowMap.vertex" ; shaderInfo[1].shader_type = GL_FRAGMENT_SHADER ; shaderInfo[1].name = "ShadowMap.frag" ; program = BWLoadShaders(shaderInfo, 2) ; lightPosLoc = glGetUniformLocation(program, "lightPos") ; lightAmbientLoc = glGetUniformLocation(program, "lightAmbient") ; lightLambertLoc = glGetUniformLocation(program, "lightLambert") ; lightProjLoc = glGetUniformLocation(program, "lightProj") ; lightViewLoc = glGetUniformLocation(program, "lightView") ; mLoc = glGetUniformLocation(program, "m") ; kdLoc = glGetUniformLocation(program, "kd") ; ksLoc = glGetUniformLocation(program, "ks") ; kaLoc = glGetUniformLocation(program, "ka") ; texLoc = glGetUniformLocation(program, "tex") ; glEnable(GL_DEPTH_TEST) ; glDepthFunc(GL_LEQUAL); glShadeModel(GL_FLAT) ; } int main(int argc, char ** argv) { glutInit(&argc, argv); glutInitWindowSize(800, 800); glutInitDisplayMode(GLUT_RGB|GLUT_DEPTH) ; glutCreateWindow("SHADERTEST"); glutKeyboardFunc(&ProcessKeyboard) ; InitScene() ; glutDisplayFunc(display); glutMainLoop(); }
ShadowMap.vertex
varying vec3 normal ; varying vec4 lightVertex ; varying vec4 color ; varying vec4 worldCoord ; uniform mat4 lightProj; uniform mat4 lightView; uniform vec4 lightPos ; uniform vec4 lightLambert ; uniform vec4 lightAmbient ; const mat4 biasMatrix = mat4(0.5 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.5 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.0 , 0.5 , 0.0 , 0.5 , 0.5 , 0.5 , 1.0 ) ; void main() { worldCoord = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex ; normal = normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal); lightVertex = lightProj * lightView * worldCoord ; lightVertex = lightVertex / lightVertex.w ; lightVertex = biasMatrix * lightVertex ; //lightVertex = lightVertex / lightVertex.w ; gl_TexCoord[0] = gl_MultiTexCoord0 ; color = gl_Color ; gl_Position = gl_ProjectionMatrix * gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex ; }
ShadowMap.frag
uniform sampler2D tex ; uniform vec4 lightPos ; uniform vec4 lightLambert ; uniform vec4 lightAmbient ; uniform float m ; uniform float ka ; uniform float kd ; uniform float ks ; varying vec3 normal ; varying vec4 lightVertex ; varying vec4 color ; varying vec4 worldCoord ; void main() { vec2 poissonDisk[4] ; poissonDisk[0] = vec2( -0.94201624, -0.39906216 ) ; poissonDisk[1] = vec2( 0.94558609, -0.76890725 ) ; poissonDisk[2] = vec2( -0.094184101, -0.92938870 ); poissonDisk[3] = vec2( 0.34495938, 0.29387760 ) ; vec3 l = normalize(lightPos - worldCoord).xyz ; vec3 n = normalize(normal) ; vec3 v = normalize(-worldCoord).xyz ; float d = max(dot(n , l) , 0.0) ; float s = max(dot(normalize(v + l) , n) , 0.0) ; float cosTheta = dot(n , l) ; float bias = m*tan(acos(cosTheta)); float shadow = 1.0 ; //使用poissonDisk采样优化锯齿 for (int i = 0 ; i < 4; ++i) { if ( texture2D( tex, lightVertex.xy + poissonDisk[i]/700.0 ).z < lightVertex.z-bias ){ shadow -=0.2; } } //不使用优化 /*float depth = texture2D(tex , lightVertex.xy).z ; if (depth + bias < lightVertex.z ) { shadow = 0.2 ; }*/ // shadow = 0.5 ; vec4 finalColor = vec4(0.0 , 0.0 , 0.0 , 1.0) ; //finalColor *= shadow ; finalColor = (finalColor + ks * s * lightLambert + ka*lightAmbient + kd * d * lightLambert)*shadow; gl_FragColor = finalColor ; }
