【TA-霜狼_may-《百人计划》】图形4.3 实时阴影介绍

4.3.1 基于图片实时阴影技术

其中的图片意为：将阴影渲染成图片

平面投影阴影

• 根据光的方向，把物体的每个顶点投影到平面地面上。
• 数学原理：相似三角形
• 缺点：
  • 只能投影到平面；
  • 投影物体必须在光线和平面之间；
    

投影阴影

• 为每个阴影投影体设置一个相机
• 把阴影投影体渲染到阴影纹理中
• 渲染阴影接收者，并且与阴影纹理进行混合
  

Unity中的实现

• Projector组件：
  • 可以设置它的参数生成一个视锥体
  • Projector会使用提供给它的材质，绘制所有在视锥体内的物体
• 使用Render Texture生成阴影映射图，把阴影投影体绘制到阴影纹理中
• 给Project设置物体和阴影映射图混合的材质

阴影映射

右侧即深度图，黑色为靠近，白色为原理

1. 首先获得光照位置的深度图
2. 在视角位置对每个像素点进行处理
3. 将当前位置的坐标转换到由光照位置得到的深度图中并比较大小
4. 若比之前的深度值更大，说明距离光源越远，说明被遮挡，从而形成阴影
   第三步就是上述说到的对比比较的过程；

4.3.2 实时阴影优化

阴影映射问题 – 自阴影

由于阴影映射的分辨率有限，离散的采样点以及数值上的偏差可能造成不正确的阴影效果。这就是自阴影，也被称为Z-Fighting或者阴影粉刺（Surface Acne）

解决方法：当比较深度时，为了避免表面自阴影，需要设置容错阈值：
- 深度偏移（Depth Bias）
- 法线偏移（Normal Bias）
但是如果深度便宜设置过大时，会导致漏光现象。即阴影与投影者之间发生脱节，也叫做Peter Panning问题。

偏移优化

下图左半边解释的很详细，
采样过程中选取的点可能是红色的点，作为阴影映射中的纹素深度，但是在View采样时的深蓝色点明明对应的是同一段线段，但是相较而言深度更深了，所以会被当做阴影。解决办法就是施加一个偏移，尽量正确的反应前后关系。

Unity中的偏移优化

• Shadow Caster 阶段基于顶点的Normal Bias；
• 在Shadow Caster阶段， 让遮蔽物进行反向偏移；
  优点：性能高
  

阴影映射问题 ——走样

从信号重建的过程来审视阴影映射：

1. 初始采样：渲染阴影映射；
2. 重采样：从摄像机视角对采样信号（阴影映射）重采样；

两个阶段都会发生走样问题。

• 阴影映射在世界空间均匀分配；
• 视锥体内物体经过透视投影后，近大远小，近平面和远平面的像素一样；
• 靠近观察者的元素所用到的采样点明显变少；
• 这种误差被称为透视走样；

级联阴影映射（Cascaded Shadow Map）

透视走样最有效的解决方案；
把视锥体分割为多个子视锥体；
为每个子视锥体计算独立的相等大小的阴影映射；

其中的shadow distance自定义了产生阴影的范围（原本是从近平面到远平面），减少了部分开销；

重采样误差

• 映射纹理是一张动态生成的纹理；

• 滤波 —— 纹理采样误差的解决方案；

• 滤波

  • 图像处理中，通过滤波强调一些特征或者去除图像中一些不需要的部分；
  • 滤波是一个邻域操作算子，利用给定像素周围的像素的值决定此像素的最后在那个的输出值；

• 阴影的滤波

  • 使用一部分阴影映射采样点来计算某个指定View采样点的最终阴影结果的方法。

PCF滤波

1. 从光方向生成阴影映射；
2. 从摄像机视角进行深度测试；
3. 当该着色点通过深度测试时，取该像素周围指定大小（滤波核）的范围。计算他们的可见平均值作为输出。
   blocked代表周围像素不可见有42个，visible代表周围像素可见有7个，最终计算得到其阴影值

PCF滤波的不同实现

• 采样数K
  • 规则滤波，33 或者 55；
  • 采用Poisson Disk的形式来分布一定数量的采样点。
• 滤波核哈数
  • 高斯函数作为滤波函数等；

作业

实时阴影的优化方案

1. 针对自阴影问题利用深度偏移或者法线偏移进行调整；
2. 针对走样问题利用级联映射方法对结果进行优化；
3. 针对采样问题利用PCF滤波进行优化，达到更好的软阴影效果；
4. 利用PCSS（Percetage closer soft shadows）进行软阴影实现；
5. 针对PCSS又有了优化的VSSM（Variance Soft Shadow Mapping）
6. 由于VSSM假设约束条件太多，出现了MSM（Moment shadow mapping 矩阵阴影映射）

还有好多好多好多好多要学呢！Games101后半部分+202，继续加油吧！

[1] games202：二，实时阴影Real-Time Shadows + 作业1