ShadowMap渲染陰影方法及問題

2021-05-21 21:03:34 字數 1862 閱讀 4767

shadowmap基於的原理:sm演算法是乙個2-pass繪製演算法,第一pass從光源視點繪製場景,生成sm紋理,第2pass從視點檢視按常規方法繪製場景

從光源的位置觀察場景,這時候我們看不到的地方就是該有陰影的地方,於是可以使用比較畫素到光源距離的方法來確定某個畫素是否在陰影之中。

於是我們需要記錄我們看得到的畫素的距離值,以便做比較。

首先,建立在光源位置處的觀察座標系,這一步應該在cpu階段完成,這裡為描述方便,寫為hlsl**

這裡假設觀察方向指向原點

float3 dirz = -normalize(lightpos);

float3 up = float3(0,0,1);

float3 dirx = cross(up, dirz);

float3 diry = cross(dirz, dirx);

接下來,把場景中所有頂點變換到這個光源-觀察空間中(light-view-space)

實際中應使用矩陣進行變換,這裡直接做

float4 vpos;

vinpos.xyz-=vlightpos.xyz; //首先是平移變換

vpos.x=dot(vinpos,x_dir);   //接下來是分別繞3個軸旋轉

vpos.y=dot(vinpos,y_dir);

vpos.z=dot(vinpos,z_dir);

vpos.w=1;

然後進行light-view-space空間裡的投影變換,所使用的矩陣要根據光源的特點進行改變,如fov等

最後將這時得到的結果渲染到一張紋理上,把它稱作shadowmap

這張紋理一般使用r16f,或者r32f格式,而一些整合顯示卡中或者opengl不支援這樣的格式,還可以使用整數紋理,這時需要對深度值進行壓縮。

渲染結束後,在紋理中儲存的就是在光源處能看見的畫素到光源的距離了,為了節省shader指令,可以使用距離的平方

即在浮點紋理中為 return dot(vlightvec,vlightvec);

在整數紋理中為  float fdepth=dot(vlightvec,vlightvec);

return float4( floor(fdepth) / 256.0f, frac(fdepth), frac(fdepth), frac(fdepth), frac(fdepth));

通過把frac(fdepth)同時寫入藍色和alpha通道,這樣可以節省一條指令,否則需要另乙個指令來填充這些通道

mov r2.gba r0.g   //r0.g包含frac(fdepth)

vertex shader

pixel shader

到這裡準備工作就結束了,接下來就是要渲染陰影的時候了

這時回到正常觀察位置即camera位置,不再在light-view-space中觀察

將場景中每個頂點再變換到light-view-space中,這是為了要找到頂點在light-view-space中的位置,以便與紋理中的距離值做比較

將已經變換的頂點再進行投影,再將投影平面座標變換到紋理座標空間,即把範圍為[-1,1]的x,y座標變換到[0,1]的範圍中去,以便匹配相應的紋素texel

然後就是光照,既然有陰影必然有光照效果,而且應該是逐畫素光照,可以使用任何光照模型,phong,blinn或者oren-nayar

最後的距離比較決定是否為陰影,光照計算,都在畫素shader中進行

由於sm演算法基於影象空間,所以有一些缺陷,如果視點與光源位置差異很大,會產生明顯走樣,陰影邊緣處會出現明顯的階梯狀,這可以使用靠近百分比過濾pcf來改善,因為sm紋理中每個紋素texel可能不是投影到單一螢幕畫素上,紋理解析度越低,走樣越嚴重。

這裡的演算法也不適用於點光源,僅僅在聚光燈時有效,要用於點光源,則需要3d紋理,進行6次渲染,過幾天把這個做一下。

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