这里是ZwqXin关于Shadow Map阴影贴图的OpenGL实现记录的第三辑。在启动新动作之前，总结一下这些天关于Shadow Map的一些琐事，问题的存在。——ZwqXin.com 前文见：
Shadow Map阴影贴图技术之探Ⅰ
Shadow Map阴影贴图技术之探Ⅱ
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1.图谈光线与视线的那些破事儿
从Nvidia的CSM paper里要来的一张图。因为我觉得这个问题还是图片说话比较好：你看图中，蓝色线内的是光源“眼中”的场景（far和near在这里无关要紧），黑色那个是视锥，蓝色物体被投影到某树上，我们看得到该影子（树在视锥内）。这当然是理想情况。仔细看看这种理想情况是怎么做出来的？灯光足够远，整个视锥在“光的视野”内。如果蓝色框框向上移动一下看怎么样？如果黑色框框向下移呢？我们能够观察到阴影的部分，永远只有光视野与相机视野的交集。
2.反锯齿的动作
既然如此，那么把光有那么远移那么远好么，最好是无限远产生平行光好么？不好。原因之前说过了，就像你人一样，你越远，看的东西越模糊，乃至形状都分不清了——光也一样，这样的影子实在糟糕。怎样取得光源距离在各方面的平衡呢？我觉得应该恰到好处地具体问题具体分析。有时候你得模拟一个照射大地的太阳，你能让它怎么近呢？（下面讲到的CSM技术是解决此类问题的。）但是一些小场景你就得合理控制了——又通常光源位置都不是说变就变的（譬如房间内的蜡烛），这时候可通过近远裁减面等等适当调节光的“视野”。对光源过远而产生的锯齿，衍生出级种着力于解决这类问题的技术（后述）。另外还有传统的反锯齿技术，譬如4X，16X这些。譬如这里我尝试按OpenGL Shading Language（橙书）13.2做的：
- float lookup(float x, float y)
- {
- float factor = 1.0;
- shadowTexcoord = shadowTexcoord + vec4(x,y,0.0,0.0) * epsilon;
- float depth = shadow2DProj(shadowmap, shadowTexcoord).r;
- depth = clamp(depth, 0.0, 1.0);
- if(depth != 1.0)factor = 0.5;
- return factor;
- }
- void main()
- {
- float mass = 0.0;
- mass += lookup( 0.001, 0.001);
- mass += lookup( 0.001, -0.001);
- mass += lookup(-0.001, 0.001);
- mass += lookup(-0.001, -0.001);
- if(shadowTexcoord.x >= 0.0 && shadowTexcoord.y >= 0.0
- && shadowTexcoord.x <= 1.0 && shadowTexcoord.y <= 1.0 )
- {
- gl_FragColor = vec4(gl_Color.rgb* diffuse.rgb * mass*0.25, 1.0);
- }
- else
- {
- gl_FragColor = vec4(gl_Color.rgb* diffuse.rgb, 1.0);
- }
原理就是ping-pong模式的多次采样取均值——让阴影边界模糊。这当然比难看的锯齿好，但一般要搞高精度的效果才略显好。譬如我上面那样仅仅4次采样：
可能是PICASA的压缩，本来也没这么丑的 - - 。但是你也知道这软阴影不象软阴影，跟人眼睛得了散光看东西一样。
3.穿过透明
我曾经在探Ⅰ讲shadow map好处的时候说过它比Volume有些地方的优势很明显。其中之一就是对待透明物时的问题。其实在Shadow Volume之探系列里我是想实现的，而且初期想以为很简单，谁知道即使拜托Google大神，也没看到有什么内容是关于这个的，可见Volume对这类型的遮光物是先天不足。而Shadow Map，本来以为“接下来努力实现让光线穿过透明物产生真实的阴影吧”，谁知道就那么几分钟就搞好了 - - 。说到底，Volume认真对待每个图元，而Map,管你是人不...不，管你是什么图元模型，一律照杀....其实就是在fragment shader里做alpha test，剔除背景色。
- void main()
- {
- vec4 alphatexcolor = tex2D(alphatex, gl_TexCoord[0].xy);
- if( alphatexcolor.x < 0.05 && alphatexcolor.y < 0.05 && alphatexcolor.z < 0.05)
- discard;
- gl_FragColor = gl_Color * diffuse * alphatexcolor;
- }
譬如这里是黑色背景的树，于是把接近黑色的的像素剔除，把此shader应用于画树的那部分函数，直接可得结果。怎么样，图元是矩形，阴影不是吧？
对其他背景色也是一样的。但是最好还是在photoshop里把所有图片背景色转为一样的吧（建议与清屏时那颜色一致，我用的是黑色来glClear）。另外纹理图上多少会残留一点点因颜色容差造成的“碎块”，这时候与屏幕背景色一致的话，用透明就可以消除它们了（这里我没做）。
4. Shadow Map延伸技术
1.PSM（）：不太了解（事实上所有的都不太了解 - -），不过大概来说，就是为了解决上面提到的“光视野”与“相机视野”的矛盾，通过另类的光源版本投影矩阵“配合”好这两个视锥（硬来，改变光路），让“眼所见即光所见”。副作用当然是光源移动的时候的不连续啦。
2.LiPSM (Light Space Perspective Shadow Map)不同于PSM之处在于它不会“硬来”，而是在光源空间“新建”一个光源视锥（平行于原光路）。这通常是比较直观的图形学解决之道：神不知鬼不觉地偷偷弄一个适合的光源视锥，原来都不影响。影子是根据这个新光源视锥来的——但是在外面，观看场景的我们只看到原来的一个光源，还有物体还有影子——自然而然地被骗了。（有点像Shadow Volume里乱走空间的光源呵呵）
3.TSM（Trapezoidal Shadow Maps ）你可以看看这个网址：Anti-aliasing and Continuity with Trapezoidal Shadow Maps，该介绍的都有了，比PSM，比Bounding Box （旧的SM技术），优势从一个视频明显体现！但是......那个，看看算法：Trapezoidal Shadow Maps (TSM) - Recipe， 那个真◆视觉梯形的弄法真是.....囧。世界太可怕了TAT。极高的反锯齿性能，视觉。关键在于把光源投影矩阵替换成那个复杂扭曲的梯形（发现优化技术很多都在于对光源投影矩阵动手脚啊）。
4.CSM（Cascaded Shadow Maps）Cascaded是级联的意思。此方式与前不同，相当于给阴影做LOD。前面说过，这是针对大规模场景光照的阴影技术（太阳普照~），从另一个角度来解决锯齿：通过不同的阴影深度图。你这么理解吧，太阳光下的树的影子，你离它越近，场景应用的深度图越清晰（因为移近平行的太阳光对阴影生成影响不大，而在此距离下“截频”出来的深度图是高精的），你离它越远，当然，场景变大，物体变多，但是这时候用的深度图有必要那么精确吗？于是就换了。这样，控制得好的话，近看远看都不成问题。当然，细节问题有待探讨。
(最后用一张恶搞图结束)
下篇预告：Shadow Map阴影贴图技术之探Ⅳ [CSM]
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