【计算机图形学/实时渲染】 阴影（GAMES202）

阴影

对于静态的物体，可以使用Lightmap烘焙的方法来获取物体的影子（静态阴影），而对于动态的物体，一般采用的是Shadowmap的技术。

光照贴图（Lightmap）

（1）原理：从光源的方向去烘培(离线渲染)一个物体，把结果存一张贴图里，因为离线渲染的时候，如果光线和物体之间有东西被遮挡，那么物体上该点处就会存在阴影，那么在Lightmap上就是一个阴影的值(较暗的像素)**，**然后渲染的时候直接对该物体从光照贴图里面采样即可

（2）缺点：Lightmap只能存diffuse分量(漫反射)，不能存specular分量（镜面反射），且没办法做动态阴影，只适用于固定在场景中的静态物体。

优点：使用lightmap的物体不参与实时光照计算，减少了大量的开销。

阴影贴图（Shadowmap）

基本原理：该技术其实是一种渲染到纹理的技术，我们得到的这张贴图一般称作阴影贴图。Shadowmap的原理非常简单，首先是从光源的位置(视角)渲染一遍场景，将得到的深度信息写入到贴图中，然后再一次正常的渲染场景，利用我们得到的shadowmap来判断哪些着色点落在了阴影中(确定visibility)。当场景发生变化时，每一帧都需要生成一遍ShadowMap

a. Self occlusion(自遮挡)：

一个像素对应的实际场景中的点可能有多个，只会记录最近的深度值，而其他点并未被遮挡，只是因为共用一个像素变成了阴影。shadowmap记录的深度值是离散的不是连续的。

光源与地面的夹角越小，越接近grazing angle（掠射角）的时候此问题越严重

可以通过偏移技术来解决，增加一个bias来比较片段深度，在bias之内的不判定遮挡。

使用这种方法可能会导致出现detached shadow（不接触阴影）,本来应该遮挡的物体没有被计算

还有更好的一种方式是使用一种自适应偏移的方案，基于斜率去计算当前深度要加的bias；

Second-depth shadow mapping

同时记录最小的第二小的深度

SM中记录两个深度的平均值

b. Aliasing 阴影锯齿

原因是阴影贴图的分辨率低，在对阴影贴图采样时，多个不同的顶点对同一个像素采样，导致生成锯齿。

1.百分比渐进过滤(Percentage Closer Filter，PCF)技术

：从深度贴图中多次采样，每次采样坐标都稍有些不同，比如上下左右各取9个点进行采样（即一个九宫格），最后加权平均处理，就可以得到柔和的阴影。标准PCF算法采样点的位置比较规则，最后呈现的阴影还是会看出一块一块的Pattern（图块），可以采用一些随机的样本位置，比如Poisson Disk来改善PCF的效果。后面会详细阐述该方法的过程

2.级联阴影贴图（CSM）:

使用多张阴影贴图，离相机近的地方使用精细的阴影贴图，离相机远的地方使用粗糙的阴影贴图，这样不仅优化了阴影效果，还保证了渲染效率

使用 Parallel-Split Shadow Maps(PSSM) 平行分片阴影贴图法，

将视锥体切割成不同和投影平面平行的深度层，并为每个深度层都生成阴影贴图，如下图所示。原理是物体距离不同，阴影贴图的采样密度也不同。生成不同的阴影贴图可以提高采样频率从而减少走样问题

c. 采样Shadowmap的时候，需要将标准设备坐标系的坐标范围由[-1,1]修正到[0,1]，否则贴图的坐标范围是[0,1]，会采样错误。

Percentage Closer Soft Shadows (PCSS)

先详细介绍
Percentage Closer Filter(PCF)

本身是为了抗锯齿用的，后来发现PCF还可以用来生成软阴影。

在记录深度的时候进行。not filtering the shadow map

一个着色点对应了SM上的一个像素（在该像素的内部），现在我们取

取SM上周围的NxN个像素获得深度，进行NxN次深度比较（用该着色点的深度和这NxN个SM上记录的深度值比较，如果可见就为1，不可见就为0），获得比较结果NxN的矩阵（9个非0即1的值），最后做平均得到该像素的visibility，比如0.667，再代入到实时渲染的渲染方程中进行计算。

渲染方程如下：

当Filtering Size越大，阴影就会越软。

PCSS的做法是，在不同位置使用不同大小的Filter，因为阴影接受物距离阴影投射物越近，阴影就越硬，距离越远就越软（因为存在半影区），见下图：

而深度图记录的就是d(Blocker),光源到投射物的距离.

此时深度图正是用点光源代替实际的面光源生成的shadow map

一个着色点连向点光源（面光源中心），取得一定区域内多个blocker的平均距离，即该着色点对应的shadow map上的像素周围的若干像素（NxN）矩阵的平均值

这里取得范围可以根据着色点连接面光源在shadow map上的“投影”大小，具体可以看下面的图：

然后使用这个平均值来设置合适的Filtering Size进行PCF的操作