05-阴影贴图

8.4　阴影贴图

阴影贴图是用于投射阴影最实用也最流行的方法之一。虽然它并不总是像阴影体一样准确（且通常伴随着讨厌的伪影），但阴影贴图实现起来更简单，可以在各种情况下使用，并享有强大的硬件支持。

如果我们不在这里澄清前一段中的“更简单”这个词，那将是我们的疏忽。虽然阴影贴图比阴影体（在概念和实践中）更简单，但它绝不“简单”！对学生来说，通常在3D图形课程中最难实现的技术之一就是阴影贴图。着色器程序本质上很难调试，阴影贴图需要几个组件和着色器模块的完美协调。请注意，通过使用前面2.2节中描述的调试工具，可以极大地促进阴影贴图的成功实现。

阴影贴图基于一个非常简明的想法：光线无法看到的任何东西都在阴影中。也就是说，如果对象＃1阻挡光到达对象＃2，等同于光不能“看到”对象＃2。

这个想法的强大之处在于我们已经有了方法来确定物体是否可以被“看到”——使用Z缓冲区的隐藏面消除算法（HSR），如2.1.7节所述。因此，计算阴影的策略是，暂时将摄像机移动到光的位置，应用Z缓冲区HSR算法，然后使用生成的深度信息来计算阴影。

因此，渲染场景需要两轮：第1轮从灯光的角度渲染场景（但实际上没有将其绘制到屏幕上），第2轮从摄像机的角度渲染场景。第1轮的目的是从光的角度生成Z缓冲区。完成第1轮之后，我们需要保留Z缓冲区并使用它来帮助我们在第2轮生成阴影。第2轮实际绘制场景。

我们的策略可以更加精炼。

• （第1轮）从灯光的位置渲染场景。然后，对于每个像素，深度缓冲区包含光与最近的对象之间的距离。
• 将深度缓冲区复制到单独的“阴影缓冲区”。
• （第2轮）正常渲染场景。对于每个像素，在阴影缓冲区中查找相应的位置。如果相机到渲染点的距离大于从阴影缓冲区检索到的值，则在该像素处绘制的对象离光线的距离，比离光线最近的对象更远，因此该像素处于阴影中。

当发现像素处于阴影中时，我们需要使其更暗。一种简单而有效的方法是仅渲染其环境光，忽略其漫反射和镜面反射分量。

上述方法通常被称为“阴影缓冲区”。而当我们在第二步中，将深度缓冲区复制到纹理中，则称为“阴影贴图”。当纹理对象用于储存阴影深度信息时，我们称其为阴影纹理，OpenGL通过sampler2DShadow类型支持阴影纹理（稍后讨论）。这样，我们就可以利用片段着色器中纹理单元和采样器变量（即“纹理贴图”）的硬件支持功能，在第2轮快速执行深度查找。我们现在修改的策略是：

• （第1轮）与之前相同；
• 将深度缓冲区的内容复制进纹理对象；
• （第2轮）与之前相同，不过阴影缓冲区变为阴影纹理。

现在我们来实现这些步骤。