CSharpGL(44)用ShadowMapping方式画物体的影子

CSharpGL(44)用ShadowMapping方式画物体的影子

在（前文）已经实现了渲染到纹理（Render To Texture）的功能，在此基础上，本文记录画物体的影子的方式之一——shadow mapping。

下载

CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

开始

如图所示，在蓝色背景下，有一个金色的茶壶（Teapot模型）和一块灰色的地面（4个顶点组成的正方形），空中有一个立方体（代表光源的位置）发出光，照到茶壶和地面上，地面显示出了茶壶的影子，茶壶身上也显示出了壶柄和壶盖的部分影子。这就是shadow mapping的效果。

本文仅以聚光灯类型的光源为例。其他类型的光源暂时先不做了，还有别的东西要弄。

原理

一个fragment为何会是阴影的所在地？因为有物体挡在了此fragment与光源之间。那么OpenGL如何反映这种（光源-物体-fragment）之间的遮挡关系？方法就是以光源的位置为摄像机的位置，渲染一遍场景，此时的深度图就能够反映这个关系：深度图上的数据，就是距离光源最近的fragment的深度值（即，如果某fragment的深度值大于此值，那么他就在阴影中，否则就是被光源照射到了）。

下面是上图的深度图。（由于我设定茶壶是一直在旋转的，所以茶壶的角度可能不吻合）

白色的部分，代表深度值为1，是最远的，颜色越黑，代表深度值越接近0，即最近的。

我初次见到这种深度图的时候，误以为直接把这个图贴到地面上就完事了，然而看看最后的效果图，又不是这样，十分不解。现在才知道不是直接贴，而是以此为依据，判定fragment是否在阴影内，从而计算此fragment的颜色值。

获取Depth texture

为了获取深度图（Depth Texture），我们需要使用（上文）提到到Render To Teture技术：创建Framgbuffer，把Texture绑定到此Framebuffer的depth component上。然后以光源的位置为摄像机的位置，渲染整个场景。所以光源下的每个能够产生阴影的结点，都要有这样一个vertex shader（不需要fragment shadedr）：

#version 330

uniform mat4 mvpMatrix;

layout (location = 0) in vec4 position;;

void main(void)
{
    gl_Position = mvpMatrix * position;
}

哪里是影子？

然后就依据深度图来判定fragment是不是在影子里。

Vertex shader

在shadow mapping的渲染过程中，由于需要和【摄像机在光源时，顶点在eye space里的坐标】比较，所以在vertex shader里要手动计算此坐标(shadow_coord)。

#version 330

uniform mat4 model_matrix;
uniform mat4 view_matrix;
uniform mat4 projection_matrix;

uniform mat4 shadow_matrix;

layout (location = 0) in vec4 position;
layout (location = 1) in vec3 normal;

out VS_FS_INTERFACE
{
    vec4 shadow_coord;
    vec3 world_coord;
    vec3 eye_coord;
    vec3 normal;
} vertex;

void main(void)
{
    vec4 world_pos = model_matrix * position;
    vec4 eye_pos = view_matrix * world_pos;
    vec4 clip_pos = projection_matrix * eye_pos;
    
    vertex.world_coord = world_pos.xyz;
    vertex.eye_coord = eye_pos.xyz;
    vertex.shadow_coord = shadow_matrix * world_pos;
    vertex.normal = normalize(mat3(view_matrix * model_matrix) * normal);
    
    gl_Position = clip_pos;
}

Fragment shader

在fragment shader里，其他方面与一般的光照计算相同，只有在判定此fragment属于阴影内时，才会削弱光照对它的影响。sampler2DShadow是比sampler2D更适合做shadow mapping的纹理采样器类型，它指向的，就是上一步得到的深度图（depth texture）。可见，纹理是纹理，采样器是采样器，换个采样器，仍旧可以对相同的纹理采样，然而得到的数据是不同的。

#version 330

uniform sampler2DShadow depth_texture;
uniform vec3 light_position;

uniform vec3 material_ambient;
uniform vec3 material_diffuse;
uniform vec3 material_specular;
uniform float material_specular_power;

layout (location = 0) out vec4 color;

in VS_FS_INTERFACE
{
    vec4 shadow_coord;
    vec3 world_coord;
    vec3 eye_coord;
    vec3 normal;
} fragment;

void main(void)
{
    vec3 N = normalize(fragment.normal);
    vec3 L = normalize(light_position - fragment.eye_coord);
    vec3 R = reflect(L, N);
    vec3 E = normalize(fragment.eye_coord);
    float NdotL = dot(N, L);
    float EdotR = dot(E, R);
    float diffuse = max(NdotL, 0.0);
    float specular = max(pow(EdotR, material_specular_power), 0.0);
    float f = textureProj(depth_texture, fragment.shadow_coord);
    
    color = vec4(material_ambient + f * (material_diffuse * diffuse + material_specular * specular), 1.0);
}

似乎忘了记录一下如何实现经典的光照模型，等下一篇吧。

总结

最近突然发现了多次遍历的妙用。

解析obj格式的模型文件，可以用多次遍历的方式：

第一次遍历，只记录顶点数目、索引数目等统计值；

第二次遍历，根据上次的统计值，直接创建固定长度的数组，既不浪费空间，又避免了动态数组的可能反复分配空间的问题；

第三次遍历，对上次的数据计算法线；

第四次遍历，计算模型的体积和中心位置。

渲染场景，也可以用多次遍历的方式：

第一次遍历，根据场景的树结构，依次更新各个结点的位置；

第二次遍历，对支持shadow mapping的结点，更新其depth texture；

第三次遍历，渲染场景到窗口。

这样代码就能拆分开来，还能根据情况选择是否使用其中某些遍历步骤。比如解析obj文件，如果不需要计算法线，我可以跳过第三次遍历；比如渲染场景，如果没有shadow mapping结点，我可以跳过第二次遍历。

联想到编译器也是采用的多次遍历的方式，

第一次遍历，词法分析；

第二次遍历，语法分析；

第三次遍历，语义分析；

第四次遍历，优化……