09-阴影贴图示例
8.5 阴影贴图示例
考虑图8.9中包含环面和金字塔的场景。位置光源放置在左侧（注意镜面高光）。
金字塔应该在环面上投下阴影。
为了阐明示例的开发，我们的第一步是将第1轮渲染到屏幕以确保它正常工作。为此，我们将临时添加一个简单的片段着色器（它不会包含在最终版本中）并在第1轮中仅输出一种固定颜色（如红色）；例如：
#version 430
out vec4 fragColor;
void main(void)
{ fragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 0.0);
}让我们假设场景的原点位于图的中心在金字塔和环面之间。在第1轮中，我们将相机放在光源的位置（图8.10中的左图）并指向（0,0,0）。然后我们用红色绘制对象，它会产生如图8.10（见彩插）右图所示的输出。注意金字塔顶部附近的环面——这个制高点附近的环面部分位于金字塔后面。
包含光照与阴影贴图的完整第2轮C++/OpenGL代码见程序8.1。
程序8.1 阴影贴图
// 大部分与之前相同。高亮部分代码是新加入的，用以实现阴影
// 实现光照所需的大部分引用需要在代码开始引入，与之前相同
// 因此不在这里重复
// 在这里定义渲染程序所用的变量、缓冲区、着色器源代码等
. . .
ImportedModel pyramid("pyr.obj"); // 定义金字塔
Torus myTorus(0.6f, 0.4f, 48); // 定义环面
int numPyramidVertices, numTorusVertices, numTorusIndices;
. . .
// 环面、金字塔、相机和光源的位置
glm::vec3 torusLoc(1.6f, 0.0f, -0.3f);
glm::vec3 pyrLoc(-1.0f, 0.1f, 0.3f);
glm::vec3 cameraLoc(0.0f, 0.2f, 6.0f);
glm::vec3 lightLoc(-3.8f, 2.2f, 1.1f);
// 场景中所使用白光的属性(全局光和位置光)
float globalAmbient[4] = { 0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f };
float lightAmbient[4] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f };
float lightDiffuse[4] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };
float lightSpecular[4] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };
// 金字塔的黄金材质
float* goldMatAmb = Utils::goldAmbient();
float* goldMatDif = Utils::goldDiffuse();
float* goldMatSpe = Utils::goldSpecular();
float goldMatShi = Utils::goldShininess();
// 环面的青铜材质
float* bronzeMatAmb = Utils::bronzeAmbient();
float* bronzeMatDif = Utils::bronzeDiffuse();
float* bronzeMatSpe = Utils::bronzeSpecular();
float bronzeMatShi = Utils::bronzeShininess();
// 在display()中将光照传入着色器的变量
float curAmb[4], curDif[4], curSpe[4], matAmb[4], matDif[4], matSpe[4];
float curShi, matShi;
// 阴影相关变量
int screenSizeX, screenSizeY; GLuint shadowTex, shadowBuffer; glm::mat4 lightVmatrix; glm::mat4 lightPmatrix; glm::mat4 shadowMVP1; glm::mat4 shadowMVP2; glm::mat4 b;
// 这里定义类型为mat4的光源观察矩阵与相机观察矩阵的矩阵变换(mMat, vMat等)
// 其他在display中所使用的变量也在此定义
. . .
int main(void) {
// 与前例相同，无改动
}
// init()函数依然执行调用以编译着色器并初始化物体
// 同时它也调用setupShadowBuffers()函数以初始化阴影贴图相关缓冲区
// 最后，它构造B矩阵以进行从光照空间到纹理空间的转换
void init(GLFWwindow* window) {
renderingProgram1 = Utils::createShaderProgram("./vert1Shader.glsl", "./frag1Shader.glsl");
renderingProgram2 = Utils::createShaderProgram("./vert2Shader.glsl", "./frag2Shader.glsl");
setupVertices();
setupShadowBuffers();
b = glm::mat4( 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 0.0f, 0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f); }
void setupShadowBuffers(GLFWwindow* window) { glfwGetFramebufferSize(window, &width, &height); screenSizeX = width; screenSizeY = height;
// 创建自定义帧缓冲区
glGenFramebuffers(1, &shadowBuffer);
// 创建阴影纹理并让它存储深度信息
// 这些步骤与程序5.2中相似
glGenTextures(1, &shadowTex); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, shadowTex); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT32, screenSizeX, screenSizeY, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, 0); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_COMPARE_MODE, GL_COMPARE_REF_TO_TEXTURE); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_COMPARE_FUNC, GL_LEQUAL); }
void setupVertices(void) {
// 与之前的例子相同。这个函数用来创建VAO和VBO
// 之后将环面及金字塔的顶点与法向量读入缓冲区
}
// display()函数分别管理第1轮需要使用的自定义帧缓冲区
// 以及第2轮需要使用的阴影纹理初始化过程。阴影相关新功能已高亮
void display(GLFWwindow* window, double currentTime) {
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
// 从光源视角初始化视觉矩阵以及透视矩阵，以便在第1轮中使用
lightVmatrix = glm::lookAt(currentLightPos, origin, up); // 从光源到原点的矩阵
lightPmatrix = glm::perspective(toRadians(60.0f), aspect, 0.1f, 1000.0f);
// 使用自定义帧缓冲区，将阴影纹理附着到其上
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, shadowBuffer); glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, shadowTex, 0);
// 关闭绘制颜色，同时开启深度计算
glDrawBuffer(GL_NONE); glEnable(GL_DEPTH_TEST);
passOne();
// 使用显示缓冲区，并重新开启绘制
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0); glActiveTexture(GL_TEXTURE0); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, shadowTex); glDrawBuffer(GL_FRONT); // 重新开启绘制颜色
passTwo();
}
// 接下来是第1轮和第2轮的代码
// 这些代码和之前的大体相同
// 与阴影相关的新增代码已高亮
void passOne(void) {
// renderingProgram1包含了第1轮中的顶点着色器和片段着色器
glUseProgram(renderingProgram1);
. . .
// 接下来的代码段通过从光源角度渲染环面获得深度缓冲区
mMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), torusLoc);
// 轻微旋转以便查看
mMat = glm::rotate(mMat, toRadians(25.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
// 我们从光源角度绘制，因此使用光源的P、V矩阵
shadowMVP1 = lightPmatrix * lightVmatrix * mMat; sLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram1, "shadowMVP"); glUniformMatrix4fv(sLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(shadowMVP1));
// 在第1轮中我们只需要环面的顶点缓冲区，而不需要它的纹理或法向量
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glFrontFace(GL_CCW);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_LEQUAL);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbo[4]); // vbo[4] 包含环面索引
glDrawElements(GL_TRIANGLES, numTorusIndices, GL_UNSIGNED_INT, 0);
// 对金字塔做同样的处理(但不清除GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
// 金字塔没有索引，因此我们使用glDrawArrays()而非glDrawElements()
. . .
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, numPyramidVertices);
}
void passTwo(void) {
glUseProgram(renderingProgram2); // 第2轮顶点着色器和片段着色器
// 绘制环面，这次我们需要加入光照、材质、法向量等
// 同时我们需要为相机空间以及光照空间都提供MVP变换
mvLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram2, "mv_matrix");
projLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram2, "proj_matrix");
nLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram2, "norm_matrix");
sLoc = glGetUniformLocation(renderingProgram2, "shadowMVP");
// 环面是黄铜材质
curAmb[0] = bronzeMatAmb[0]; curAmb[1] = bronzeMatAmb[1]; curAmb[2] = bronzeMatAmb[2];
curDif[0] = bronzeMatDif[0]; curDif[1] = bronzeMatDif[1]; curDif[2] = bronzeMatDif[2];
curSpe[0] = bronzeMatSpe[0]; curSpe[1] = bronzeMatSpe[1]; curSpe[2] = bronzeMatSpe[2];
curShi = bronzeMatShi;
vMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), glm::vec3(-cameraLoc.x, -cameraLoc.y, -cameraLoc.z));
currentLightPos = glm::vec3(lightLoc);
installLights(renderingProgram2, vMat);
mMat = glm::translate(glm::mat4(1.0f), torusLoc);
// 轻微旋转以便查看
mMat = glm::rotate(mMat, toRadians(25.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
// 构建相机视角环面的MV矩阵
mvMat = vMat * mMat;
invTrMat = glm::transpose(glm::inverse(mvMat));
// 构建光源视角环面的MV矩阵
shadowMVP2 = b * lightPmatrix * lightVmatrix * mMat;
// 将MV以及PROJ矩阵传入相应的统一变量
glUniformMatrix4fv(mvLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(mvMat));
glUniformMatrix4fv(projLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(pMat));
glUniformMatrix4fv(nLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(invTrMat));
glUniformMatrix4fv(sLoc, 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(shadowMVP2));
// 初始化环面顶点和法向量缓冲区()
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]); // 环面顶点
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[2]); // 环面法向量
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
glEnableVertexAttribArray(1);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glEnable(GL_CULL_FACE);
glFrontFace(GL_CCW);
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_LEQUAL);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbo[4]); // vbo[4]包含环面索引
glDrawElements(GL_TRIANGLES, numTorusIndices, GL_UNSIGNED_INT, 0);
. . .
// 对黄金金字塔重复同样步骤
}
程序8.1展示了与之前详述过的第1轮、第2轮着色器交互部分的C++ / OpenGL应用程序。之前已经展示过的模块，如读取着色器、编译着色器、构建模型及相关缓冲区、在着色器中初始化位置光源ADS特性以及进行透视矩阵和LookAt矩阵计算等，这些模块同之前一样。