Game202-高质量实时渲染作业1笔记

一、作业描述

先渲染出模型，然后实现硬阴影，再实现PCF(Percentage Closer Filter) 和PCSS(Percentage Closer Soft Shadow)。

二、解决方法

代码来自参考引用，这里不贴了。

1、 投影变换

坐标的相对位置不变，光线是平行的，将物体变换到$[-1,1{]}^3$的立方体中（即坐标范围为[-1,1]）。

$M_{ortho}=\left(\begin{array}{cccc}\frac{2}{r-l}& 0& 0& -\frac{r+l}{r-l}\\ 0& \frac{2}{t-b}& 0& -\frac{r+b}{r-b}\\ 0& 0& \frac{2}{n-f}& -\frac{n+f}{n-f}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$
$M_{pres\to ortho}=\left(\begin{array}{cccc}n& 0& 0& 0\\ 0& n& 0& 0\\ 0& 0& n+f& -nf\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$
$M_{pres}=M_{ortho}{M}_{pres\to ortho}$
$M_{pres}=\left(\begin{array}{cccc}\frac{2n}{r-l}& 0& \frac{l+r}{l-r}& 0\\ 0& \frac{2n}{t-b}& \frac{b+t}{b-t}& 0\\ 0& 0& \frac{n+f}{n-f}& -\frac{nf}{n-f}\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$
Vertical Field of View(fovY) 是垂直可视角度
Aspect ratio是宽高比

-将fovY 和aspect转换成l,r,n,t

因为Z是取负方向的，所以t为负数

结果如下图：

2、硬阴影

2-pass算法：
1、先从光源出发，记录其所能到达的最浅的深度，保存为shadowMap
2、再从相机位置出发，根据shadowMap去渲染出场景（小于shadowMap中的深度才能被看到）。
缺点：会有走样和自遮挡。

shadowCoord是当前节点在光源坐标系下的坐标[-1，1]，需要将坐标范围调整为[0,1]，来进行贴图采样。
贴图采样后，通过unpack获取到当前深度，与shadowMap中的深度才能被看到。
结果如下：

但是会存在自遮挡现象：

原因是shadowMap记录的深度是不连续的，每个采样点都表示一个区域的深度值，但是每一个区域的每一个点的实际深度是不一样的。跟光源位置也有关系，光源从正上方照射下来，误差最小，往左右偏移，误差变大。
通过添加移动量解决。
结果如下：

但是，会存在课上老师提到的脚部阴影消失的问题。
结果如下图：

3、PCF

将当前节点的深度与shadowmap上一个范围内的深度进行比较，大于为0，小于为1，最后求平均，也可以加权求平均。（类似二维图像处理的均值滤波）。
用于抗锯齿。
结果如下图：

4、PCSS

阴影与遮挡物的距离有关，近的偏硬，远的偏模糊。

根据上图可以得到一个相似三角形公式：

第一步 取一定范围里的点，累加遮挡点的深度，取平均深度$d_{Blocker}$
第二步，根据相似三角形原理，根据以上公式，利用$d_{Blocker}$计算出penumbra，利用penumbra计算出filtersize
第三步，同PCF。
结果如下图：

三、总结

这个作业断断续续花了很久的时间，做个笔记记录一下。有些东西101学过，但是没有实践过，没有理解。有必要记录一下，算是加深理解。
很多东西老师课程上讲了，但是做作业的时候没有去回顾，等到参考别人的做完后，写笔记去回顾才发现都讲过。实现起来还是蛮难的。这个笔记也写了很久，在写的过程中也会产生很多疑问，查了很久。

四、参考和，引用

[1] GAMES202-高质量实时渲染
[2] 知乎：GAMES-202 高质量实时渲染学习笔记 - 1- 硬阴影与软阴影
[3] CSDN：GAMES202 作业1解答
[4] 知乎：7.2 Shadow Map
[5] GAMES202-高质量实时渲染PPT
[6] 知乎：自适应Shadow Bias算法