03 · Shadow Mapping 阴影映射

Shadow Mapping 阴影映射

阴影判断

一个片段是否处于阴影中，取决于它与光源之间是否存在遮挡物。

Light
  |
  |        Cube
  |         █
  |         █
  |        /
  |       x   ← 地面上的当前片段
  |
Floor

判断遮挡关系时，需要把片段放到光源视角下处理。

先让光源看一遍场景
↓
记录每个方向最先撞到的深度
↓
再从相机正常渲染
↓
把当前片段也变换到光源视角
↓
和刚才记录的最近深度比较

第一遍渲染得到的深度纹理就是 Shadow Map。

第一遍：从光源视角只画深度

第一遍不关心颜色：

Light View
+
Light Projection
↓
lightSpaceMatrix
↓
Scene
↓
Depth Texture

方向光常用正交投影：

lightProjection = glm::ortho(...);
lightView = glm::lookAt(lightPos, target, up);
lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;

场景画进只带 Depth Attachment 的 FBO：

Depth FBO
└─ Depth Texture

一个 texel 表示：光源沿这个方向看过去，最近表面离它有多远。

如果 A 挡在 B 前面，Shadow Map 里记录 A 的深度，而不是 B。

第二遍：从相机正常渲染，再查 Shadow Map

正常渲染时，每个片段除了 FragPos、Normal、TexCoord，还需要 FragPosLightSpace，也就是这个片段在光源相机里的位置。

Vertex Shader：

FragPosLightSpace =
    lightSpaceMatrix * vec4(FragPos, 1.0);

Fragment Shader 先做透视除法：

vec3 projCoords =
    fragPosLightSpace.xyz /
    fragPosLightSpace.w;

NDC 是 [-1, 1]，纹理坐标是 [0, 1]，所以：

projCoords =
    projCoords * 0.5 + 0.5;

现在 projCoords.xy 就是 Shadow Map 的采样位置。

float closestDepth =
    texture(shadowMap, projCoords.xy).r;
 
float currentDepth = projCoords.z;

closestDepth 是光源第一遍记录的最近表面，currentDepth 是当前片段自己在光源视角里的深度。

Shadow Test

currentDepth <= closestDepth
→ 当前片段就是最前面的表面
→ 光源能看到
→ 不在阴影
 
currentDepth > closestDepth
→ 光源前面已经先撞到别的东西
→ 当前片段被挡住
→ 在阴影

最简单的代码：

float shadow =
    currentDepth > closestDepth
    ? 1.0
    : 0.0;

然后：

lighting =
    ambient
    + (1.0 - shadow)
    * (diffuse + specular);

Ambient 通常不乘阴影，因为这里的 Ambient 本来就是一个粗略的环境光近似。

Bias 与 Shadow Acne

理论上同一个表面应该有：

currentDepth == closestDepth

但 Shadow Map 分辨率有限，而且表面可能是斜的。一个 texel 覆盖一小块区域，比较时就可能出现 currentDepth 比 closestDepth 大一点点，于是本来受光的表面被误判成阴影，形成黑色条纹，也就是 Shadow Acne。

比较时留一点余量：

currentDepth - bias > closestDepth

官方示例还让 Bias 随表面倾斜程度变化：

float bias =
    max(
        0.05 * (1.0 - dot(normal, lightDir)),
        0.005
    );

正对光源时 Bias 小；表面越斜，Bias 越大。

Bias 太小会出现 Acne；Bias 太大时阴影会从物体脚下脱开，形成 Peter Panning。

PCF

Shadow Map 是有限分辨率纹理。如果每个片段只查一个 texel，阴影边界会跟着纹素一格一格跳。

PCF 不只查一个点，而是查周围 3×3：

9 个 depth texel
↓
分别做 9 次 Shadow Test
↓
取平均

结果可以是：

0 / 9 → 完全受光
3 / 9 → 边缘
9 / 9 → 完全阴影

官方代码就是这个 3×3 邻域平均。

PCF 没有提高 Shadow Map 分辨率，它只是把硬跳变变成邻域平均。

两遍渲染放在一起

Pass 1：Light Pass
 
Scene
↓
Light View + Light Projection
↓
只写 Depth
↓
Shadow Map

然后：

Pass 2：Camera Pass
 
Scene
↓
正常从相机渲染
↓
每个 Fragment 同时得到 Light Space 坐标
↓
采样 Shadow Map
↓
currentDepth vs closestDepth
↓
Shadow Test
↓
Lighting

Shadow Mapping 的判断依据是光源视角下的两份深度：Shadow Map 中保存的最近深度，以及当前片段自己的深度。

Interactive Lab

🎮 Shadow Mapping Lab

Lab 提供最终阴影、Depth Map、Shadow Test 三种视图，并可调整 Bias、PCF 和光源位置。