[OpenGL高级光照] 阴影改善

目录

一 阴影失真

二 阴影改善

2.1 减小片段深度值

2.2 降低纹理

2.3 注意事项

三 消除Repeat的问题

3.1 让裁剪矩阵的立方体变大

​3.2 利用采样范围重置

四 精度问题

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一 阴影失真

在上一篇中,实现了阴影效果之后,但是我们会发现阴影效果中地面上的阴影明显显示有问题。

效果

• 我们放大显示不正确的地方后会发现它的线条是明暗交替的。

原因

• 我们的阴影效果是根据当前顶点的深度值和深度缓冲中的深度值来做对比的，但要注意的是深度缓冲中的深度纹理是以像素为单位的，(可以理解为它是单通道的，采样返回的是一个向量，其中所有分量都相同，等于深度值) 
• 但是当我们用当前片段的深度值去对比时，多个片段有可能就采样到同一个像素的纹理值。
• 理解: 可以这样理解，在下面的图片中黑黄相间的就代表我们阴影中最后出现的黑白条纹，由于我们使用的是平行光(没有大小只有方向)，我们假设一条黄色条纹和一条黑色条纹就是真实的片段，然后这样的一个片段刚好去采样一个纹理像素，但由于深度纹理像素的值(这时候要把这个理解为深度值)一般都是取最中心点的平均值，所以对于纹理来说无论怎样这个值都是固定的比如说0.5深度。但是对于真实的片段来说，黄色部分的条纹的实际深度值(与光源的距离)就要小于黑色部分的，而中间的值其实是刚好等于深度纹理中的深度值的。所以我们前面的就回变亮，因为黄色部分中的实际深度(也就是距离光线的距离)是小于深度纹理的，那么就说明深度纹理（也就是阴影）是不应该被显示的，反之黑色部分就会显示阴影。

二 阴影改善

• 抬高和降低都是依据下面这个计算公式来处理的
• curPepth是代表当前的片段的深度值
• shadowDepth代表深度纹理中的深度值

 float shadow = curDepth  > shadowDepth ? 1.0 : 0.0;

2.1 减小片段深度值

• 相当于减小片段表面的深度值，这样就会消除纹理多个片段采样到同一个纹理像素的问题。

• 首先我们完全可以对片段的深度值减去一个很小的值比如说0.005，这个值是很巧妙的，但是有时候还是不能够消除，
• 这时候我们需要引入点乘，根据表面和光线的夹角，比如在一个片段中，越光线距离越远,夹角越大,比如最大假设它夹角90度那么点乘就是0，此时用1减去0，再乘以0.05那么此时我们就使用0.05来进行片段的抬高。

   float bias = max(0.05 * ( 1.0 - dot(Normal,light.position - FragPos)),0.005);

缺点

• 因为方式是用偏移量的,有点类似箱子被抬起来了,这里立方体角的光被漏出来了，按理来说这里应该是要有阴影的。
• 这个也取决于上面偏移量这个值我们设置的是多少。

2.2 降低纹理

• 相当于想办法让纹理上的深度值变小。
• 我们可以完全在生成深度测试时,只需要生成背面而不生成正面。这样对于目前这个例子来说（三个箱子一个地面）箱子的正面以及整个地面都不会被绘制，那么在深度纹理中的地面的深度就永远都是1，那么最后计算时，地面的深度就不会大于纹理的深度就可以消除这种影响了。

glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_FRONT);
    renderScene(&depthProgramObject);
glCullFace(GL_BACK);

缺点:

• 我们可以看到这种方式,由于采用的原因中间的缝隙漏出了光。

2.3 注意事项

• 改善纹理的方式有很多种,主要是根据你的场景和效果去改善，目前并没有完全最优的一种算法，这需要根据场景来尝试优化自己的算法。
• 这两种方式不要重叠使用,除非你能保证混合算法下不会冲突。

三 消除Repeat的问题

• 其实这里有两个问题,一个是纹理重复的问题，另一个是部分没有区域是黑色
• 黑色区域：这是因为我们观察的立方体本身比较小，当坐标超出立方体的范围时，深度值都会变成1
• 纹理重复：纹理重复是因为对于写入深度缓冲中的纹理环绕方式是Repeat，当纹理坐标大于1小于0时就会进行平复重复，因为我们获取深度值是采用的纹理 texture(depthMap,projCoords.xy).r;的方式获取的,所有当超出纹理范围时，这个深度纹理也会进行Repeat，就导致下面在别的地方也出现了阴影。

3.1 让裁剪矩阵的立方体变大

    float near_plane = 1.0f, far_plane = 25.5f;
    // 定义一个正交投影 矩阵的再x轴的值 和y轴的值
    lightProjection.ortho(-25.0f, 25.0f, -25.0f, 25.0f, near_plane, far_plane);

• 这种方式效果还是不太好，你会发现他的锯齿特别严重，并且本身也不推荐这种。
• 因为这样我们获取深度纹理时就不会出现超出纹理坐标的深度，也不会Repeat

3.2 利用采样范围重置

• 当采样的纹理坐标超过0.0-1.0时，它会重复纹理，我们只需要利用代码将阴影设置为0即可

    if(projCoords.z > 1.0 || projCoords.x < 0.0 || projCoords.x > 1.0)
        shadow = 0.0;

• 还有一种方法就是设置深度纹理的Repeat属性，当纹理超出范围时，我们设置边框为全白，相当于深度值全为1
• 当然为了消除部分黑色区域我们还是要设置当纹理坐标Z大于0时的处理。

 if(projCoords.z > 1.0 )
    shadow = 0.0;   

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
float bordercolor[] = {1.0,1.0f,1.0f,1.0f};
glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_BORDER_COLOR,bordercolor);

四 精度问题

• 我们可以通过扩大采样范围，来提高精度，但是这会损失性能，当然后面有更好的处理方式，目前我们只需要知道这样可以处理即可

const unsigned int SHADOW_WIDTH = 10240, SHADOW_HEIGHT = 10240;

• 我们可以看到这样处理,对阴影边缘的锯齿,有了很大的改善。