Shadow Map(阴影贴图)跟Soft Shadows(软阴影)
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：
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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：
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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;
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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：
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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;
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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：
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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;
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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：
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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;
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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); }
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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。
