opengles阴影映射 opengl阴影贴图

阴影贴图的原理较为简单，就是以光的方向为视角生成一副深度贴图，这幅图中能看到的部分就是光能照到的部分，所以在计算阴影时只要将片段深度与这幅深度贴图进行对比，深度比它大的片段即在阴影中。

实际实现的步骤如下：

• 创建画面元素（箱子，地板等）的VBO,VAO，光照矩阵，传入深度贴图shader
  注意，因为本节考虑定向光，不存在透视，所以使用正交投影矩阵

GLfloat near_plane = 1.0f, far_plane = 7.5f;
glm::mat4 lightProjection = glm::ortho(-10.0f, 10.0f, -10.0f, 10.0f, near_plane, far_plane);

• 创建帧缓存和附加在上面的深度贴图

注意以下代码，贴图的类型是GL_DEPTH_COMPONENT，这种情况下贴图只有一个通道用于保存片段的深度值；其次SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT为深度图的长宽分辨率，它们一般与屏幕不同。

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);

由于这幅深度图是不用颜色数据来渲染的，所以我们加入以下两行。

glDrawBuffer(GL_NONE);
glReadBuffer(GL_NONE);

• 将深度贴图和对应的转换矩阵传入绘制阴影的shader中，将片段位置和片段在深度图中的位置从顶点着色器传到片元着色器。
• 计算阴影，过程如下：

float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace)
{
    // 执行透视除法
    vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;
    // 变换到[0,1]的范围
    projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
    // 取得最近点的深度(使用[0,1]范围下的fragPosLight当坐标)
    float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r; 
    // 取得当前片段在光源视角下的深度
    float currentDepth = projCoords.z;
    // 检查当前片段是否在阴影中
    float shadow = currentDepth > closestDepth  ? 1.0 : 0.0;

    return shadow;
}

• 在计算光照时，将diffuse和specular颜色乘以这个阴影元素。

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局限性

阴影贴图虽然实现简单，但是存在诸多局限性：

• 阴影失真
  这是由于绘制程序中，每个片段要从深度图中读取自己在光照角度下的深度，但是读取的精度不高，往往是多个片段共用一个光照角度下的深度值

如图，阶梯状表示当前片段读取的深度值，横线表示光能照亮的深度，于是出现了平面上一段亮一段暗的情况。

为了解决它，我们通常在当前片段的深度值上减去一个偏移量bias,这样整个平面就都能被照亮了。

但是这也会带来另一个问题，由于偏移量的存在，阴影的位置也出现了偏移，我们只能将偏移量尽量设置小，保证它不是那么明显。

• 采样空间限制
  因为我们照亮的区域，实际上是光照角度下平截头体内的空间，当地板非常大时，就会有一部分是平截头体无法覆盖的（可能在它的左右，也可能在远平面后面），这部分也会变成阴影。

为了解决这一问题，我们可以把深度贴图的纹理环绕选项设置为GL_CLAMP_TO_BORDER，同时把投影向量的z坐标大于1.0，我们就把shadow的值强制设为0.0。这样较远的地面也可以被照亮。
但是问题还是存在的，比如当远处的地面实际需要阴影的时候。

• 阴影走样
  同样因为片段读取深度值精度不高的问题，阴影的边缘会出现明显的锯齿。
  我们一般采用一种叫PCF（percentage-closer filtering）的方法柔化阴影，以此减少走样。
  一个简单的PCF的实现是简单的从纹理像素四周对深度贴图采样，然后把结果平均起来：

float shadow = 0.0;
vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0);
for(int x = -1; x <= 1; ++x)
{
    for(int y = -1; y <= 1; ++y)
    {
        float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r; 
        shadow += currentDepth - bias > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;        
    }    
}
shadow /= 9.0;

这种柔化并不能完全消除锯齿，