（转）阴影锥(Shadow Volume)

转自：http://blog.csdn.net/zjull/article/details/11819923

Shadow Map和Shadow Volume是当今比较流行的实时阴影渲染方法，跟Shadow Map相比，Shadow Volume最大的优点是没有阴影锯齿问题，但由于它是基于几何的方法，每帧都有可能要构造和渲染阴影锥，而且有些工作必须由CPU完成，使得它在效率上没有Shadow Map高，因为其计算都是在GPU端完成的；不过对于室内场景或者objects不多的室外场景，Shadow Volume仍有用武之地，阴影锥的实现有多种算法，而且可以做比较多种优化，这里学习一下Z-PASS和Z-FAIL算法，它们都是multipass的，暂时没考虑优化问题。

Z-PASS算法

pass1：打开depth test，按正常方式渲染整个场景，得到depth map。

pass2：打开stencil test，关掉z writing和color buffer writing，渲染shadow volumes；设置stencil test always pass，对于front faces，若z test pass，则stencil value +1，若z test fail，则不更新stencil value；对于back faces，若z test pass，则stencil value -1。

pass3：pass2完成之后，stencil buffer中value不为0的像素就处于阴影区域，据此绘制阴影效果即可。

图1：Z-PASS算法

Z-PASS算法在视点位于阴影锥内或者跟近裁剪面相交时，会得到错误的stencil values，如下图所示：

图2：Z-PASS算法失效的情况

Z-FAIL算法

Z-FAIL算法是 John Carmack，Bill Bilodeau 和 Mike Songy 各自独立发明的，其目的就是解决视点进入 shadow volume 后 Z-PASS 算法失效的问题；

pass1：跟Z-PASS算法一样

pass2：打开stencil test，关掉z writing和color buffer writing，渲染shadow volumes；设置stencil test always pass，对于front faces，若z test fail，则stencil value -1，若z test pass，则不更新stencil value；对于back faces，若z test fail，则stencil value +1。

pass3：跟Z-PASS一样

如图3所示，Z-FAIL算法不论视点位于阴影锥外面，里外还是近裁剪面与阴影锥相交，都可以正确得到stencil values。

图3：Z-FAIL算法

Z-FAIL要求Shadow Volume必须是闭合的，图4左将得到错误的stencil values，加上阴影锥caps(图4右)可以纠正。

图4：Z-FAIL算法的失效场景以及补救措施

阴影锥实现（Z-PASS）

Shadow Map与Shadow Volume的比较

Shadow Map的优势：

实现简单，不需要任何几何计算，shadow map可以完全由GPU生成。

不需要模板缓存，只需要为每个光源保存一张shadow map，没有缓存高填充率问题。

Shadow Map的劣势：

在阴影边缘容易形成锯齿，降低了阴影质量，特别在光源离阴影投射体很远的时候更明显。

对于每个光源，场景都需要渲染一次以得到shadow map，对于点光源，需要做更多的工作。

Shadow Volume的优势：

可获得高质量的阴影效果，没有阴影边缘锯齿问题；

能方便处理聚光照，方向光等多种光源。

Shadow Volume的劣势：

当光源或者投射物体的几何信息发生变化时，阴影锥都需要重新计算，占据比较多的CPU时间；

对几何体的拓扑有要求，即几何体必须是闭合的；

需要模板缓存，不优化的情况下存在高填充率问题，常见的优化方法有：有限阴影锥(Finite Volumes)、XY裁剪(XY Clipping)、Z限定(Z-Bounds)；

无法处理具有透明材质物体的阴影投射，如公告板，粒子系统，树叶，grass等；

要求场景中的所有物体都接收投射的阴影，即使接收不到的情况下。

参考链接

http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch09.html

http://blog.donews.com/yyh/archive/2005/05/19/387143.aspx

 

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