Shadow Mapping阴影渲染
Shadow Mapping阴影渲染分为两个步骤：
- 以光源视角渲染场景，得到深度图（Shadow Map)，存储为纹理；
- 以观察视角再次渲染场景，将每个点的深度值和Shadow Map中的深度值进行比较，判断点是否在阴影内。
获取Shadow Map
着色器
首先来设计着色器。因为要在光源视角渲染场景，所以顶点着色器只需要将坐标变换到光源视角空间并输出即可。使用一个变换矩阵即可完成变换。
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| #version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
uniform mat4 lightSpaceMatrix;
uniform mat4 model;
void main() {
gl_Position = lightSpaceMatrix * model * vec4(aPos, 1.0);
}
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至于片段着色器，因为只需要获取深度信息而不需要颜色信息，所以可以使用一个空的片段着色器。
存储Shadow Map
为了获得Shadow Map，我们需要将渲染的深度信息存到一个2D纹理中。需要借助帧缓冲对象和纹理来实现。
首先，创建一个2D纹理。因为我们只需要存储深度值，所以将纹理格式设置为GL_DEPTH_COMPONENT。
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| unsigned int depthMap;
const unsigned int SHADOW_WIDTH = 4096, SHADOW_HEIGHT = 4096;
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_CLAMP_TO_BORDER);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
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然后，创建一个帧缓冲对象，将纹理绑定为帧缓冲的深度缓冲。因为不需要颜色缓冲，所以通过调用glDrawBuffer(GL_NONE)和glReadBuffer(GL_NONE)说明不用颜色进行渲染。
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| unsigned int depthMapFBO;
glGenFramebuffers(1, &depthMapFBO);
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);
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光源空间变换
在顶点着色器中，用到了一个变换矩阵，将世界坐标变换到光源视角。变换矩阵由投影矩阵和视角矩阵相乘得到。
对于平行光，可以采用正交投影，通过glm::ortho定义矩阵。
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| float near_plane = 1.0f, far_plane = 100.0f;
glm::mat4 lightProjection = glm::mat4(1.0f);
lightProjection = glm::ortho(-10.0f, 10.0f, -10.0f, 10.0f, near_plane, far_plane);
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通过glm::lookAt函数，创建观察矩阵，从光源位置看向坐标原点。
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| glm::vec3 lightPos(-3.0f, 4.0f, -1.0f);
glm::mat4 lightView = glm::mat4(1.0f);
lightView = glm::lookAt(lightPos, glm::vec3(0.0f), glm::vec3(0.0, 1.0, 0.0));
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相乘得到变换矩阵。
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| glm::mat4 lightSpaceMatrix = glm::mat4(1.0f);
lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;
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渲染
通过glBindFramebuffer绑定帧缓冲，在函数renderScene中渲染场景。渲染完成后深度信息就存储到了纹理中，得到Shadow Map。
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| depthShader.use();
depthShader.setMat4("lightSpaceMatrix", lightSpaceMatrix);
glViewport(0, 0, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
renderScene(depthShader, planeVAO, cubeVAO);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
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阴影计算（Shadow Mapping算法）
下一步，需要从观察视角进行渲染，从光源视角对像素深度和Shadow Map中对应位置的值进行比较。如果深度大于Shadow Map的值，说明该点在其他物体后，处在阴影内。反之则不在阴影内。
着色器
顶点着色器与实现Phong光照模型的顶点着色器相似。不过，因为要比较深度值判断片段是否在阴影内，所以顶点着色器还需要输出片段变换到光源视角空间的坐标。
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| vs_out.FragPosLightSpace = lightSpaceMatrix * vec4(vs_out.FragPos, 1.0);
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片段着色器与实现Phong光照模型的片段着色器相似。不过，片段着色器还需要计算片段是否在阴影内。
首先，需要将光源视角空间的坐标进行标准化，变换到[0, 1]之间。z坐标即是当前的深度。
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| vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;
projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
float currentDepth = projCoords.z;
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然后，获取Shadow Map中的深度信息。比较当前深度和最近深度，判断片段是否在阴影内。
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| float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;
float shadow = currentDepth > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
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如果在阴影内，则只显示环境光。否则按照Phong光照模型进行渲染。
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| vec3 lighting = (ambient + (1.0 - shadow) * (diffuse + specular)) * color;
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渲染
渲染的方法与之前的类似。在渲染前，需要绑定两个纹理。一个是物体的纹理，这里使用了木地板纹理。另一个是第一步得到的Shadow Map，用于计算阴影。
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| glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, woodTexture);
glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
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效果
增加光源在透视投影下的Shadow Mapping
通过ImGui选择投影方式。
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| ImGui::Begin("Projection Type");
ImGui::BeginGroup();
ImGui::RadioButton("Orthogonal", &projectionType, 1);
ImGui::RadioButton("Perspective", &projectionType, 2);
ImGui::EndGroup();
ImGui::End();
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根据投影方式创建不同的投影矩阵。
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| if (projectionType == 1)
lightProjection = glm::ortho(-10.0f, 10.0f, -10.0f, 10.0f, near_plane, far_plane);
else if (projectionType == 2)
lightProjection = glm::perspective(glm::radians(120.0f), 1.0f, near_plane, far_plane);
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让光源动起来，使效果明显。
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| lightPos.z = sin(time) * 10.0f;
lightPos.y = sin(time/ 2.0f) * 2 + 4.0f;
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效果
正交投影：
透视投影：
优化阴影
失真
通过加入偏移量，避免了由于Shadow Map分辨率不足导致的阴影失真。
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| float bias = 0.005;
float shadow = currentDepth - bias > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
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优化前：
优化后：
悬浮
在渲染Shadow Map的时候，通过正面剔除，减轻了悬浮的现象。
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| glCullFace(GL_FRONT);
renderScene(depthShader, planeVAO, cubeVAO);
glCullFace(GL_BACK);
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锯齿
通过使用5*5的模板进行均值滤波，减轻了阴影的锯齿化现象。
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| vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);
for(int x = -2; x <= 2; ++x) {
for(int y = -2; y <= 2; ++y) {
float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;
shadow += currentDepth - bias > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;
}
}
shadow /= 25.0;
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优化前：
优化后：
