图形学-几何-阴影原理

 

这是游戏“古墓丽影”中人物的阴影，给人一种人物跟地面接触的真实感。

所有着色点的直线光、漫反射和环境光的光栅化计算都是不考虑遮挡的局部关系，而如果要考虑遮挡，从投影的角度计算出阴影，光栅化将非常复杂。

因此我们另辟蹊径，从另一个角度来看待阴影，即：

阴影就是摄像机能看到，但光线看不到的区域。

就是说，我们在光源的位置再放一台摄像机，看向场景，这是角度一；从真正的摄像机看向场景，是角度二。

角度一和角度二做一个对比，角度一“看不到”而角度二“看得到”的区域（像素），即认为是阴影。

 

 

 

 

 如何做对比呢？

 

 

 如图所示，从光源的角度看向物体，我们可以得到一张“深度贴图”，记录每个物体的深度值，这张深度图叫做Shading Mapping

 

 

 然后我们再从真正摄像机的角度看向物体，得到的着色点和光源的距离，反对应到Shading Mapping上记录的深度。

 

如果深度不一致则认为被阻挡了，即这个地方（像素）会产生阴影。

 

 

 

 

如图，绿色部分光源和着色点距离=Shading Map上的深度；非绿色部分不等于，可以认为被阻挡了。白色区域即被阻挡又在地面上，则认为是阴影。

基于Shading Map，计算出来着色点要么阻挡要么非阻挡，所有得到的阴影具有两个特征，即：

1.一片阴影看起来都是一样的，没有渐变；

2.边缘很明显。

我们管这种阴影叫做硬阴影。

 

 

 左图为塞尔达荒野之息，人物的阴影为硬阴影；有图为马里奥，人物的阴影为软阴影。

 

我们回看这张绿图，为什么被看到的部分仍然会有一些脏脏的黑色？是因为基于Shading Map的硬阴影计算存在几个“硬伤”：

硬伤一.走样问题：

1 基于光栅化，如果Shading Map的精度不够，一个像素表示多个逻辑点，这些到光源的位置实际上会有微小差异，但在Shading Map中却是同样的深度值；

2 浮点数的对比是很困难的。

这就造成了，有些点明明没有被阻挡，却计算出被阻挡了；有些被阻挡了，却计算出没被阻挡。

例如一个点到光源的真实距离是2.0，真实深度也是2.0，按理说是没有被阻挡的。但是由于Shading Map精度不够，这个点所在的像素深度是1.9，小于距离，则被认为值阻挡；即使精度够，两个都是2.0，但在一些CPU上深度的2.0当成了1.99999，又小于距离了。

硬伤二.Shading Map只能做硬阴影。

如果想做软阴影，先理解一下软阴影的原理。

 

上面的是硬阴影，下面的是软阴影。

以日全食为例，太阳是个大光源，月亮是个小阻挡，光线照到地球上，有一小部分完全被月亮阻挡了，看不到任何光线，这块区域称为本影Umbra；有一块比较大的区域，能看到部分的阳光，这块区域称为半影Penumbra。

软阴影我们即认为是半影。