PCF软阴影技术讲解
笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。
CSDN视频网址：http://edu.csdn.net/lecturer/144
先介绍一下平实使用的阴影算法，阴影映射产生的阴影不是很好，而且有很多锯齿，效果如下图所示：
本博客描述了一种减少该问题的方法（许多方法之一），称为百分比更接近过滤或PCF。 这个想法是从当前像素周围的阴影图进行采样，并将其深度与所有采样本进行比较，通过对结果进行平均，我们得到光线和阴影之间更平滑的线。 例如，看看下面的阴影贴图：
上图中每个单元格包含每个像素的深度值（从光源观察时）， 为了使其变的简单，让我们说上面所有像素的深度是0.5（从相机的角度来看）。 当阴影映射值小于0.5的所有像素将处于阴影中，阴影映射值大于或等于0.5的像素将会在光照中， 这将在光和阴影之间创建一个硬块状的线条。
现在考虑以下内容 - 最接近光线和阴影边界的像素被阴影映射值小于0.5的像素以及阴影映射值大于或等于0.5的像素包围。 如果我们对这些相邻像素进行采样，并将结果平均化，我们将获得一个可以帮助我们平滑光和阴影之间边界的水平因子。 当然，我们不知道什么像素最接近该边界，所以我们只是为每个像素做这个采样工作。 在本篇博文中，我们将在每个像素周围的3×3内核中抽取9个像素，并取平均得出结果， 这将是我们的影子系数。
现在让我们来看一下实现PCF的源代码：
(lighting.fs:64)
uniform sampler2DShadow gShadowMap;
#define EPSILON 0.00001
float CalcShadowFactor(vec4 LightSpacePos)
{
vec3 ProjCoords = LightSpacePos.xyz / LightSpacePos.w;
vec2 UVCoords;
UVCoords.x = 0.5 * ProjCoords.x + 0.5;
UVCoords.y = 0.5 * ProjCoords.y + 0.5;
float z = 0.5 * ProjCoords.z + 0.5;
float xOffset = 1.0/gMapSize.x;
float yOffset = 1.0/gMapSize.y;
float Factor = 0.0;
for (int y = -1 ; y <= 1 ; y++) {
for (int x = -1 ; x <= 1 ; x++) {
vec2 Offsets = vec2(x * xOffset, y * yOffset);
vec3 UVC = vec3(UVCoords + Offsets, z + EPSILON);
Factor += texture(gShadowMap, UVC);
}
}
return (0.5 + (Factor / 18.0));
}这是更新的阴影系数计算功能， 它开始于相同的地方，我们从光源的角度手动执行裁剪空间坐标的透视分割，然后从（-1，+ 1）范围到（0,1）的变换。 我们现在可以使用坐标，可以使用它们从阴影贴图中采样，Z值与样本结果进行比较，从这里事情将会有所不同， 我们要对3×3内核进行采样，所以我们需要9个纹理坐标。 坐标必须导致在X或Y轴上以一个像素周期采样纹理。 由于UV纹理坐标从0到1运行，并分别映射到像素范围（0，宽度-1）和（0，高度-1），我们将1除以纹理的宽度和高度， 这些值存储在gMapSize统一矢量中，这给了我们两个相邻像素之间纹理坐标空间的偏移。
接下来，我们执行一个嵌套的for循环并计算我们将要采样的9个像素中的每一个的偏移矢量，循环中的最后几行可能看起来有点奇怪。我们使用带有3个组件（UVC）而不是仅仅2的矢量从阴影贴图中进行采样。最后一个组件与阴影贴图（光源Z加上一个小的epsilon避免Z比较）。这里的改变是我们使用sampler2DShadow作为'gShadowMap'类型而不是sampler2D。当从阴影类型的采样器（sampler1DShadow，sampler2DShadow等）采样时，GPU执行纹理值与作为纹理坐标向量的最后一个分量（第二个分量为1D，2D的第三个组件）提供的纹理值之间的比较，等等）。如果比较失败，我们得到零结果，如果比较成功，我们得到一个零结果。比较类型使用GL API进行配置，而不是通过GLSL进行配置。稍后我们会看到这个变化。现在，假设我们得到一个零的结果为阴影和一个为光照。我们累积9个结果并将它们除以18。因此，我们得到一个介于0和0.5之间的值。我们把它添加到0.5的基数，这是我们的阴影系数。
bool ShadowMapFBO::Init(unsigned int WindowWidth, unsigned int WindowHeight)
{
// Create the FBO
glGenFramebuffers(1, &m_fbo);
// Create the depth buffer
glGenTextures(1, &m_shadowMap);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_shadowMap);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT32, WindowWidth, WindowHeight, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
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);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, m_fbo);
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, m_shadowMap, 0);
// Disable writes to the color buffer
glDrawBuffer(GL_NONE);
// Disable reads from the color buffer
glReadBuffer(GL_NONE);
GLenum Status = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER);
if (Status != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) {
printf("FB error, status: 0x%x\n", Status);
return false;
}
return true;
}
void ShadowMapPass()
{
glCullFace(GL_FRONT);
...
}
void RenderPass()
{
glCullFace(GL_BACK);
...
}在应用我们讨论的所有更改后，阴影看起来像这样：
