OpenGL核心技术之Shadow Mapping

笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

CSDN视频网址：http://edu.csdn.net/lecturer/144

实时阴影技术的实现，不论在PC端还是在移动端，都显的非常重要，它也是衡量一个3D引擎渲染能力的一个指标，很多开发者或者是引擎开发者对于如何实现实时阴影的原理并不是很清楚，大部分人使用引擎都是在前人做好的基础上去调用接口，对于它的内部实现一无所知，在面试引擎的工作时就被暴露出来了。作为开发者要知其然知其所以然才能提高自己的能力，这也是我们程序员必须要努力的地方。

本篇博客主要是给读者介绍关于Shadow Mapping的实现原理，实现阴影的算法很多，我们就由浅入深逐步学习。阴影的出现必须要有光源，这跟我们现实生活是一样的，阴天是看不到自己影子的，白天有太阳，晚上有月亮的情况下才能看到自己的影子，游戏作为虚拟现实也是一样的原理。

阴影是光线被阻挡的结果；当一个光源的光线由于其他物体的阻挡不能够达到一个物体的表面的时候，那么这个物体就在阴影中了。阴影能够使场景看起来真实得多，并且可以让观察者获得物体之间的空间位置关系。场景和物体的深度感因此能够得到极大提升，下图展示了有阴影和没有阴影的情况下的不同：

你可以看到，有阴影的时候你能更容易地区分出物体之间的位置关系，例如，当使用阴影的时候浮在地板上的立方体的事实更加清晰。

阴影还是比较不好实现的，因为当前实时渲染领域还没找到一种完美的阴影算法。目前有几种近似阴影技术，但它们都有自己的弱点和不足，这点我们必须要考虑到。视频游戏中较多使用的一种技术是阴影贴图（shadow mapping），效果不错，而且相对容易实现。

阴影映射(Shadow Mapping)背后的思路非常简单：我们以光的位置为视角进行渲染，我们能看到的东西都将被点亮，看不见的一定是在阴影之中了。假设有一个地板，在光源和它之间有一个大盒子。由于光源处向光线方向看去，可以看到这个盒子，但看不到地板的一部分，这部分就应该在阴影中了。

这里的所有蓝线代表光源可以看到的fragment。黑线代表被遮挡的fragment：它们应该渲染为带阴影的。如果我们绘制一条从光源出发，到达最右边盒子上的一个片元上的线段或射线，那么射线将先击中悬浮的盒子，随后才会到达最右侧的盒子。结果就是悬浮的盒子被照亮，而最右侧的盒子将处于阴影之中。

我们希望得到射线第一次击中的那个物体，然后用这个最近点和射线上其他点进行对比。然后我们将测试一下看看射线上的其他点是否比最近点更远，如果是的话，这个点就在阴影中。对从光源发出的射线上的成千上万个点进行遍历是个极端消耗性能的举措，实时渲染上基本不可取。我们可以采取相似举措，不用投射出光的射线。我们所使用的是非常熟悉的东西：深度缓冲。

你可能记得在OpenGL核心技术之深度测试，在深度缓冲里的一个值是摄像机视角下，对应于一个片元的一个0到1之间的深度值。如果我们从光源的透视图来渲染场景，并把深度值的结果储存到纹理中会怎样？通过这种方式，我们就能对光源的透视图所见的最近的深度值进行采样。最终，深度值就会显示从光源的透视图下见到的第一个片元了。我们管储存在纹理中的所有这些深度值，叫做深度贴图（depth map）或阴影贴图。

左侧的图片展示了一个定向光源（所有光线都是平行的）在立方体下的表面投射的阴影。通过储存到深度贴图中的深度值，我们就能找到最近点，用以决定片元是否在阴影中。我们使用一个来自光源的视图和投影矩阵来渲染场景就能创建一个深度贴图。这个投影和视图矩阵结合在一起成为一个T变换，它可以将任何三维位置转变到光源的可见坐标空间。

在右边的图中我们显示出同样的平行光和观察者。我们渲染一个点P¯处的片元，需要决定它是否在阴影中。我们先得使用T把P¯变换到光源的坐标空间里。既然点P¯是从光的透视图中看到的，它的z坐标就对应于它的深度，例子中这个值是0.9。使用点P¯在光源的坐标空间的坐标，我们可以索引深度贴图，来获得从光的视角中最近的可见深度，结果是点C¯，最近的深度是0.4。因为索引深度贴图的结果是一个小于点P¯的深度，我们可以断定P¯被挡住了，它在阴影中了。

深度映射由两个步骤组成：首先，我们渲染深度贴图，然后我们像往常一样渲染场景，使用生成的深度贴图来计算片元是否在阴影之中。听起来有点复杂，但随着我们一步一步地讲解这个技术，就能理解了。

下面介绍深度贴图：第一步我们需要生成一张深度贴图(Depth Map)。深度贴图是从光的透视图里渲染的深度纹理，用它计算阴影。因为我们需要将场景的渲染结果储存到一个纹理中，我们将再次需要帧缓冲。

首先，我们要为渲染的深度贴图创建一个帧缓冲对象：

GLuint depthMapFBO;
glGenFramebuffers(1, &depthMapFBO);

然后，创建一个2D纹理，提供给帧缓冲的深度缓冲使用：

const GLuint SHADOW_WIDTH = 1024, SHADOW_HEIGHT = 1024;

GLuint depthMap;
glGenTextures(1, &depthMap);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT,
             SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);

生成深度贴图不太复杂。因为我们只关心深度值，我们要把纹理格式指定为GL_DEPTH_COMPONENT。我们还要把纹理的高宽设置为1024：这是深度贴图的解析度。

把我们把生成的深度纹理作为帧缓冲的深度缓冲：

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, depthMap, 0);
glDrawBuffer(GL_NONE);
glReadBuffer(GL_NONE);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

我们需要的只是在从光的透视图下渲染场景的时候深度信息，所以颜色缓冲没有用。然而帧缓冲对象不是完全不包含颜色缓冲的，所以我们需要显式告诉OpenGL我们不适用任何颜色数据进行渲染。我们通过将调用glDrawBuffer和glReadBuffer把读和绘制缓冲设置为GL_NONE来做这件事。

合理配置将深度值渲染到纹理的帧缓冲后，我们就可以开始第一步了：生成深度贴图。两个步骤的完整的渲染阶段，看起来有点像这样：

// 1. 首选渲染深度贴图
glViewport(0, 0, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
    glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    ConfigureShaderAndMatrices();
    RenderScene();
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
// 2. 像往常一样渲染场景，但这次使用深度贴图
glViewport(0, 0, SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
ConfigureShaderAndMatrices();
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
RenderScene();

这段代码隐去了一些细节，但它表达了阴影映射的基本思路。这里一定要记得调用glViewport。因为阴影贴图经常和我们原来渲染的场景（通常是窗口解析度）有着不同的解析度，我们需要改变视口（viewport）的参数以适应阴影贴图的尺寸。如果我们忘了更新视口参数，最后的深度贴图要么太小要么就不完整。

前面那段代码中一个不清楚的函数是ConfigureShaderAndMatrices。它是用来在第二个步骤确保为每个物体设置了合适的投影和视图矩阵，以及相关的模型矩阵。然而，第一个步骤中，我们从光的位置的视野下使用了不同的投影和视图矩阵来渲染的场景。

因为我们使用的是一个所有光线都平行的定向光。出于这个原因，我们将为光源使用正交投影�