渲染中实现阴影的各种方式

在渲染中实现阴影的方式有多种，具体取决于所使用的渲染引擎和技术。以下是一些常见的实现阴影的方法：

平面投影 (Planar Shadow)：Planar Shadow 平面投影（假阴影），低开销的阴影实现方式 - JeasonBoy - 博客园 (cnblogs.com)
- 开销最低的方式，思路就是根据光的方向将模型拉伸/压缩后画个黑影在地上，缺点是只能投在平面上，不能投射到其他物体上，斜面上。
阴影贴图 (Shadow Mapping)：
- 阴影贴图是最常见的实时阴影技术之一。其基本思想是从光源的视角渲染场景，生成一张深度贴图，然后在实际渲染过程中使用这张深度贴图来判断像素是否在阴影中。
万向阴影贴图 (Omnidirectional Shadow Mapping)：点阴影 - LearnOpenGL CN (learnopengl-cn.github.io)
- 上面的阴影贴图只能绘制一个方向的阴影，这是改进版。比如一个点光源在中心，那么它周围的物体都能向各个方向投影，性能消耗也比较高。
阴影体积 (Shadow Volumes)：
- 阴影体积是一种精确的阴影生成方法。它通过将物体的几何体向光源方向投影，形成一个体积，然后在渲染过程中检测哪些像素在这个体积内，从而确定阴影。
屏幕空间阴影 (Screen Space Shadows)：
- 屏幕空间阴影技术在屏幕空间中计算阴影，而不是在世界空间中。这种方法可以减少计算量，适合实时渲染。
软阴影 (Soft Shadows)：
- 软阴影模拟的是现实中的阴影边缘柔和效果。可以通过多次采样 (PCF, Percentage Closer Filtering) 或者其他方法 (如 Variance Shadow Mapping) 来实现。
环境光遮蔽 (Ambient Occlusion)：
- 虽然环境光遮蔽并不是传统意义上的阴影，但它可以增加场景的深度感。屏幕空间环境光遮蔽 (SSAO) 是一种常见的实时环境光遮蔽技术。
光线追踪 (Ray Tracing)：
- 光线追踪是一种物理上更准确的渲染技术，它通过追踪光线的路径来生成逼真的阴影。虽然计算量较大，但现代GPU的硬件加速使其在实时渲染中逐渐变得可行。

阴影贴图

阴影贴图（Shadow Mapping）是一种常用的实时渲染技术，用于生成和计算场景中的阴影。其基本原理是通过从光源的角度生成深度信息，然后在实际渲染过程中使用这些深度信息来判断哪些像素在阴影中。下面详细讲解阴影贴图的实现步骤和技术细节。

1. 从光源角度渲染深度贴图

首先，从光源的角度渲染整个场景，并生成一张深度贴图（Depth Map）。这张贴图记录了从光源到每个物体表面的深度值。

步骤：

设置光源视图和投影矩阵：

根据光源的位置和方向，设置光源的视图矩阵和投影矩阵（通常是正交投影用于方向光，透视投影用于点光源和聚光灯）。

glm::mat4 lightView = glm::lookAt(lightPos, lightTarget, upVector);
glm::mat4 lightProjection = glm::ortho(left, right, bottom, top, near, far);
glm::mat4 lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;

渲染深度信息：

使用光源的视图和投影矩阵渲染场景，但只记录深度值，而不渲染颜色。

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// Render scene to depth map
renderScene(lightSpaceMatrix);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

2. 渲染实际场景并应用阴影贴图

在从相机视角渲染实际场景时，需要将光源的深度信息与当前像素的深度信息进行比较，以确定该像素是否在阴影中。

步骤：

计算当前像素在光源视图中的位置：
- 将当前像素的世界坐标转换到光源的视图空间。
```
vec4 fragPosLightSpace = lightSpaceMatrix * vec4(fragPos, 1.0);
```
深度比较：
- 使用深度贴图中的深度值与当前像素的深度值进行比较。如果当前像素的深度大于深度贴图中的值，则该像素在阴影中。
```
float shadow = currentDepth > closestDepth + bias ? 1.0 : 0.0;
```
应用阴影因子：
- 使用阴影因子调整光照强度，生成阴影效果。
```
vec3 lighting = (ambient + (1.0 - shadow) * (diffuse + specular));
```

3. 处理阴影伪影

阴影贴图方法中常见的伪影包括锯齿状阴影和彼得潘效应（Peter Panning）。可以通过以下技术来处理这些问题：

深度偏差（Depth Bias）：

在进行深度比较时加入一个小的偏差，防止自阴影（Self-Shadowing）问题。

float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(normal, lightDir)), 0.005);
float shadow = currentDepth > closestDepth + bias ? 1.0 : 0.0;

百分比更接近过滤（Percentage Closer Filtering, PCF）：

对深度贴图进行多次采样，并平均这些采样结果来生成更平滑的阴影边缘。

float shadow = 0.0;
vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);
for(int x = -1; x <= 1; ++x)
{
    for(int y = -1; y <= 1; ++y)
    {
        float pcfDepth = texture(shadowMap, fragPosLightSpace.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;
        shadow += currentDepth > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;
    }
}
shadow /= 9.0;

4. 代码示例

以下是一个简化的OpenGL代码示例，展示了阴影贴图的实现步骤：

顶点着色器（Vertex Shader）

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 1) in vec3 aNormal;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
uniform mat4 lightSpaceMatrix;

out vec4 FragPosLightSpace;
out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;

void main()
{
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    FragPosLightSpace = lightSpaceMatrix * vec4(FragPos, 1.0);
    
    gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0);
}

片段着色器（Fragment Shader）

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec4 FragPosLightSpace;
in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;

uniform sampler2D shadowMap;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 viewPos;

float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
{
    // Perform perspective divide
    vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;
    // Transform to [0,1] range
    projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
    // Get closest depth value from light's perspective (using [0,1] range fragment coords)
    float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;
    // Get depth of current fragment from light's perspective
    float currentDepth = projCoords.z;
    // Check whether current frag pos is in shadow
    float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(Normal, lightDir)), 0.005); 
    float shadow = currentDepth > closestDepth + bias ? 1.0 : 0.0;
    return shadow;
}

void main()
{
    vec3 color = vec3(1.0); // Assume object color is white
    vec3 lightColor = vec3(1.0);
    vec3 ambient = 0.15 * lightColor;
    
    // Diffuse shading
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * lightColor;
    
    // Specular shading
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32.0);
    vec3 specular = spec * lightColor;
    
    // Calculate shadow
    float shadow = ShadowCalculation(FragPosLightSpace);                      
    vec3 lighting = (ambient + (1.0 - shadow) * (diffuse + specular)) * color;    
    
    FragColor = vec4(lighting, 1.0);
}

通过上述步骤和技术细节，可以实现基本的阴影贴图，并在实际应用中进一步优化和调整，以获得更好的视觉效果。

软阴影

软阴影（Soft Shadows）是指阴影的边缘是平滑的，而不是硬边的。这种阴影更接近于现实生活中的阴影，因为在现实世界中，光源通常不是点光源，而是具有一定面积的面光源或体积光源，导致阴影边缘出现渐变。

软阴影的生成

生成软阴影的方法有很多，包括：

面积光源采样（Area Light Sampling）: 通过对光源的多个点进行采样，生成阴影的柔和边缘。
阴影贴图的模糊（Shadow Map Blurring）: 对阴影贴图进行模糊处理，使得阴影边缘变得柔和。
PCF（Percentage-Closer Filtering）: 对多个邻近深度值进行平均处理，可以平滑阴影边缘。

阴影贴图与软阴影

阴影贴图（Shadow Mapping）是生成阴影的基础技术，通过记录从光源视角下场景中每个像素到光源的距离，来判断像素是否在阴影中。通过添加一些额外的处理，阴影贴图技术也可以用来生成软阴影。

使用阴影贴图生成软阴影的方法

以下是几种常见的方法，用于在阴影贴图的基础上生成软阴影：

使用阴影贴图生成软阴影的方法

以下是几种常见的方法，用于在阴影贴图的基础上生成软阴影：

PCF（Percentage-Closer Filtering）:

在计算阴影时，对当前像素周围的多个深度值进行采样，然后对这些深度值进行平均处理，以生成平滑的阴影边缘。

float shadow = 0.0;
vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);
for(int x = -1; x <= 1; ++x)
{
    for(int y = -1; y <= 1; ++y)
    {
        float pcfDepth = texture(shadowMap, fragPosLightSpace.xy + vec2(x, y) * texelSize).r; 
        shadow += currentDepth - bias > pcfDepth  ? 1.0 : 0.0;        
    }    
}
shadow /= 9.0;

VSM（Variance Shadow Maps）:

使用方差阴影贴图技术，通过存储深度和深度的平方，使用方差来估计深度的分布，从而实现软阴影。

float ChebyshevUpperBound(float Moments[2], float t)
{
    // One-tailed inequality valid if t > Moments[0]
    float p = t - Moments[0];
    float variance = Moments[1] - (Moments[0] * Moments[0]);
    variance = max(variance, 0.00002);
    float d = p * p / variance;
    return variance / (variance + d);
}

面积光源采样（Area Light Sampling）:

对光源进行多个采样，模拟面积光源的效果，从而生成软阴影。这个方法比较昂贵，因为需要进行多次采样。

float shadow = 0.0;
int samples = 16;
vec3 random = vec3(rand(), rand(), rand());
for(int i = 0; i < samples; ++i)
{
    vec3 offset = gridSamplingDisk(i, samples, random);
    float closestDepth = texture(shadowMap, fragPosLightSpace.xy + offset.xy).r;
    shadow += currentDepth - bias > closestDepth  ? 1.0 : 0.0;        
}
shadow /= float(samples);

总结

软阴影是指具有平滑边缘的阴影，能够提供更逼真的渲染效果。阴影贴图是生成阴影的一种基础技术，通过一些扩展和处理，可以在阴影贴图的基础上生成软阴影。常见的方法包括PCF、VSM和面积光源采样等。通过这些技术，可以实现不同程度和质量的软阴影效果，以满足不同的渲染需求。

posted @ 2024-06-06 18:36 JeasonBoy 阅读(314) 评论(0) 编辑收藏举报

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渲染中实现阴影的各种方式

阴影贴图

1. 从光源角度渲染深度贴图

步骤：

2. 渲染实际场景并应用阴影贴图

步骤：

3. 处理阴影伪影

4. 代码示例

顶点着色器（Vertex Shader）

片段着色器（Fragment Shader）

软阴影

软阴影的生成

阴影贴图与软阴影

使用阴影贴图生成软阴影的方法

使用阴影贴图生成软阴影的方法

总结

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