本文是ZwqXin -Shadow Volume 阴影锥技术之探Ⅰ的后续。xinxin将继续记录Shadow Volume的Z-PASS算法的实现之程。在上一篇中，我突破了Z-PASS算法的核心，利用一个简单的三角面为跳板，生成了对应的阴影。这个步骤当然要好好领悟Shadow Volume的原理。当然，Shadow Volume的难点不仅在此，更在于对多个三角面的阴影渲染。本篇记录的是这几天所做的，针对复杂模型的阴影生成。——ZwqXin.com
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在上一篇中“画”阴影锥比较简单，因为在连接锥体各面所需要的“点”（三角面三个角的坐标）是已经知道的，所以一气呵成。但是，3D世界中的3D物件，除了这种自己定义的简单物件，还有模型。这些模型通常是由美术人员用建模工具塑造出来的，连他们自己也很难知道（或理会）模型中的“点”的位置，成千上万个顶点的模型是实在是普通至极。这些模型的格式也多种多样，活跃于3D世界的其中一种，正是之前提过的3DS格式模型。而我算得上比较熟悉的也是这种模型。前一阵子好好地了解了3DS文件结构和一种简单导入方法（通过CLoad3DS类导入OPENGL），现在是应用的时候了！
与以前一样，我使用了CLoad3DS类，不过这次并不是直接用它在客户端载入和渲染模型，而是新建一个CShadow3DS并派生自它。（最初是直接在CLoad3DS上增加一些函数的，但最后还是不忍心，或者说被眼前混乱的结构吓坏了，马上作出移植的打算，希望这次的继承没有把事情搞糟。）我是这么想的：假设原本我有一个场景，要导入一个3DS模型：好的，我用CLoad3DS。而突然需求有点点改变，我希望导入一个具有阴影的3DS模型，于是就用了它的儿子CShadow3DS。CShadow3DS继承了CLoad3DS的一切，并且有自己的新特点（有阴影）。
针对模型的Shadow Volume生成，我觉得自己虽然说原理是懂了（比较好懂）但是至今不能说驾御了这种技术。如果没有NEHE 27#的帮助，恐怕自己是写不出这种算法。大概来说吧，我们首先要获得模型里面每一个三角面的3条边的相临的边，把其所在面作为该三角面的“邻面”（SetConnectivity，后面有用），在模型接受某个光源的照射的时候，往往只有一部分被照亮（想象一个人面朝朝阳，身体只有前侧受光，背部是没被太阳光照到的），我们处理这受光部分的面片，把外轮廓找出来，因为阴影锥面是光源与外轮廓线连接后延伸，其中延伸的那一部分形成的锥体。（想象一幅长方形的拼图，我们最后不关心每一个拼图小块的形状，我们只要关心这个拼图的整个形状——长方形就够了。）原理就是这样而已，我们就是要得到这个“外轮廓”上的模型顶点！它们跟上一篇中三角形的三个角点一样，勾画出最终阴影的形状。
问题是：1. 怎么知道模型哪部分被照亮？2.怎么把被照亮的那部分（可能由N个三角面片拼接而成）的外轮廓找出来（围成外轮廓的那些模型顶点）？首先要明白，光可以移动，模型更可以移动，这样光和模型的相对位置是可以变化的。这样的话可以假定每时刻模型被照亮的部分是会变化的（相应地，阴影锥跟着变化），因此要在每帧渲染时就做一次判断，判断哪些面向光，进而画出“该帧的Shadow Volume”。（你面朝大海，春暖花开，站个一天不动，朝阳拐个弧就变夕阳，而你身体被照亮的部分也跟着这个弧变化，由前亮逐渐变后亮，后来就是背部被太阳照着了。）
我们看看第一个问题。判断面片的向光性。当然，到达某面的光线向量与该面法向量做次点乘，单位化得两向量夹角，夹角绝对值小于90说明面片朝光，大于90则反之。面法向量容易得到（事实上CLoad3DS的顶点法向量计算过程中就计算过所有面的面法向量[顶点法向量是各个包含该点的面的面法向量均值]），但是到达该面的光线呢？我们容易得到光源和某点的连线向量，但无法直接得到光到平面的连线向量啊。于是采用另一种同样可行但比较简便的方法：把每个面片(Faces)转化为平面(Planes)，然后想一想如果引一条光源点到该平面正面的垂线...一个正面不朝光源的平面，又怎能引垂线呢——这样不就判断出了？具体操作是：按照面片上各个点的绕序（索引顺序）能暗中确定出面片的正面和反面，因此根据绕序生成的该面的平面方程（a*x+b*y+c*z+d =0）具有正面反面；把光源坐标（xl,yl,zl）代入等号左边：如果(a*xl+b*yl+c*zl+d)等于0说明点在平面上，大于0说明在平面正面那侧，小于0说明在平面负面那侧——那我们取使结果大于0的那些平面（由a,b,c,d标识）对应的面片为向光面就可以了。问题是，这里的处理要让3DS模型的面片有这样一个性质才成立：看上去逆时针绕序的面为“正面”，顺时针绕序的面为“反面”；事实上这也是确保Shadow Volume的Z-PASS算法正确的重要假设！（我在上一篇中就担心这个问题了。）要弄清楚这个假设成立不成立，还得之后继续求证（此前查、问多次无果），但就最终结果来看似乎又反过来验证了这个假设，但毕竟只是独立随机事件.......
好了，看第2个问题：怎么把被照亮的那部分的外轮廓找出来？首先要明白，一旦找全那些面向光源的面，“外轮廓”就已经确定了是不？问题是要找出围成这个外轮廓上的每条边是哪个面片的边（也就是说，是哪个面片上的哪两个顶点构成的边）？还记得SetConnectivity（找每个面片的各3条邻边）这个最开始的步骤吗？用处就在这了：对每个面上每条边，有邻边者亡，无邻边者生！头脑还清晰了吗？呵呵。找邻边过程是这样的：遍历每个面，对比除这个面外的其他面，把它们的顶点两两比较，如果两顶点均一致，说明是共边的面——这样不是找到了邻边所在的“邻面”了吗？然后，在渲染Shadow Volume时，只对那些面向光源的面和那些无邻边的面作处理。
一个面不是有3个邻面吗？是的，所以每个面都要判断3次，每次不同地找其中两个点（譬如三角形ABC，3次分别找点A和B，B和C，C和A，注意这里又是一次逆时针查找，即A-B-C应该是逆时针绕序的），只要其中的1次发现某两点（譬如A和B）构成的边本来就无邻边，或者其邻边不朝光源（本来就说好只针对朝光面嘛，所以这时候也当作“无邻边”——有邻边者亡，无邻边者生），这两点就是我们要找的“外轮廓”上其中一边（A-B）的两模型顶点啦！一路遍历找下来就找到了“外轮廓”上所有顶点（一般来说每个点都被找除两次）。恰好，A-B是逆时针的，作为Shadow Volume（阴影锥）其中一个四边形侧面（silhouette edge)的一边，另外在“光源-A”和“光源-B”线的延长线各上找一点，这4点就构成阴影锥的一个侧面了！至于那延长线上哪个位置定点，就视乎你要阴影锥延伸多长了。（在本DEMO中，我取其长度为10*“光源-A”和10*“光源-B”。）另外，从这个步骤中也可以看出“面片逆时针绕序”假设的重要性。
好吧。理一下思路：我们把以上步骤结合阴影生成步骤，分成两类：初始化步骤和渲染实时步骤。
初始化步骤：ImportShadowModel（）
- 1.用CLoad3DS载入模型（ImportModel）
- 2.把CLoad3DS中的Model结构，转化为CShadow3DS的ShadowModel结构（多了邻面，可见性等等属性，见下回分解）
- 3.找邻面（边）（SetConnectivity）
- 4.Face To Plane转换
渲染实时步骤：RenderShadowModel()
- 1.转换光源到模型空间（所必要的逆矩阵操作）
- 2.渲染原Model
- 3.判断面的朝光性
- 4.蒙板判断，画Shadow Volume
- 5.渲染阴影
Q1：既然最后处理的都是朝光的面，为什么不针对朝光的面SetConnectivity和FaceToPlane,而是一开始针对全部面片呢？A：很简单：邻边和平面转换都是一个模型每个面的固定属性和行为，不像可见性那样随时改变，故放在初始化这里，只要执行一次，整个程序周期可用，而如果放渲染部分就惨了：每次渲染都得作一次巨大的计算。
Q2：平面方程每次都一样？模型动一动，那个面所在平面不就变样了嘛？A：这里说的不变，说的是它在模型空间的不变。一个模型在其模型空间里永远就是刚载入进来的那个样儿。当然在视图空间（经过模型变换和照相机视觉变换后）模型可以动来动去，不再呆守原样。FaceToPlane失效了吗？这里我说：没有，反而是朝光性失效了。因为FaceToPlane联系的是面和光源的关系，光源位置是定义在视图空间的，如果面永远维持在模型空间时那个样儿，光源就也得映射到模型空间，才能得到正确的朝光性判断。毕竟，模型和光源的相对位置能确定就行，在哪个空间确定有什么关系呢 ？（比如模型相对光源左移1单位，跟光源相对模型右移1单位是等效的，其余类同。）你想想，是转换一个点（光源）简单，还是转换一个N个点（模型的各个面）简单？事实上整个模型在渲染时都来了视图空间了，你还再单独再从模型空间里抽出模型的每个面(faces)来一次视图空间，在每次渲染时转一次为平面(planes)，把结果用来判断朝光性——这不是拿来搞吗？还是转换光源吧！看下回分解。
好吧。。。。一切一切，下回分解！
Shadow Volume 阴影锥技术之探Ⅲ
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