GAMES202-高质量实时渲染-闫令琪——Lecture 3:Real-Time Shadows 1 学习笔记

Lecture 3:Real-Time Shadows 1

  • Recap: shadow mapping
    [slides courtesy of Prof. Ravi Ramamoorthi]

    Issues from shadow mapping and solutions

  • The math behind shadow mapping

  • Percentage closer soft shadows

一、Shadow Mapping

  • A 2-Pass Algorithm

    –The light pass generates the SM

    –The camera pass uses the SM (recall last lecture)

    shadow mapping是一个两趟的算法(渲染场景两遍),第一遍从光源看向场景,输出距离光源最近的最浅深度shadow map,第二遍从相机位置看向场景,配合刚刚的生成的最浅深度图shadow map,渲染出结果。

  • An image-space algorithm

    –Pro: no knowledge of scene’s geometry is required

    –Con: causing self occlusion and aliasing issues

    shadow mapping是一个完全在图像空间中的算法,好处是一旦shadow map已经生成,那么其就可以作为场景中的一个几何表示,为了得到最后的阴影,只需要shadow map即可,而不需要场景中的几何。

    但是其会出现自遮挡和走样现象。

1、A 2-Pass Algorithm

Pass 1: Render from Light

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Output a “depth texture” from the light source

第一趟从光源看向场景并渲染得到shadow map

Pass 2: Render from Eye

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Render a standard image from the eye

第二趟从摄像机看向场景,并将看到的点再次连向光源

Pass 2: Project to light for shadows

Project visible points in eye view back to light source

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如果看到的场景中的点到光源的距离与第一步中shadow map记录的深度值相等,则说明该点可见,如果不等,则说明该点被遮挡

2、Visualizing Shadow Mapping

①、The depth buffer from the light’s point-of-view

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②、Projecting the depth map onto the eye’s view

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Scene with shadows

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3、Issues in Shadow Mapping

(1)、Self occlusion
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使用shadow map会产生自遮挡的问题,其产生的原因如下:

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提前需要说明的是:在一个像素内部其深度是一个常数,所以在第一趟渲染shadow map时,从光源沿某一个像素的方向看向一个场景,看到的一个位置是覆盖该位置的一个像素所代表的深度,也就相当于这个场景在一个像素所覆盖的区域内都是一个常数深度,即shadow map将这样一个场景离散成了一系列小片拼成的场景(如上图红色),由于这个深度是从光源看向场景得到的,所以这些红色的小片与光源方向垂直。

对于上图这样一个平面场景来讲,在第一趟渲染中,从光源沿A点方向看向这个场景中的平面,理应能看到点A,但是由于shadow map将这样一个平面的场景离散成了一系列小片形成的场景,而被橙色的小片所遮挡,则shadow map上记录的是到点B的深度;

那么在第二趟从摄像机看向场景的渲染中,对于同一个点A却可以看到,再将A点连回光源处得到A点深度,但是在第一趟渲染shadow map时,这个方向上却被记录了光源到B点的深度,两趟的深度结果就不一致,导致点A处被认为是被遮挡的状态,导致了自遮挡问题的发生。

根据以上理论,在光源垂直于场景平面照射的时候,问题是最小的,而平行于场景平面照射,问题是最大的。

(2)、Adding a (variable) bias to reduce self occlusion

​ --But introducing detached shadow issue

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我们可以让两次渲染得到的深度值在比较的时候有一个宽容度,差别在某个范围内则认为是相等。由于光源垂直于平面的时候问题最小,那么这时候宽容度可以比较低,而光源平行于场景的时候问题最大,这时候宽容度可以比较高,通过光源与平面的夹角去动态地调整这个宽容度。

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但是这样得到的结果依然出现了问题。由于鞋跟处宽容度还是太大,而丢失了原本该有的遮挡。

(3)、Second-depth shadow mapping

​ --Using the midpoint between first and second depths in SM

​ --Unfortunately, requires objects to be watertight

​ --And the overhead may not worth it

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在这种方法里,在第一趟生成shadow map时,我们不仅存最小深度,还存次小深度。假设光从上往下照(如上图),那么最小深度就如左图所示,次小深度如中图所示。用最小深度和次小深度的中间深度作为shadow map来和第二趟的深度值比较。

但是其问题是任何模型都要有正反面,就算是一张纸都要做成一个很薄的box。

而且实现保留最小和次小深度本身也不容易,假设有这样一个可以计算的算法,则其输入是一系列无序的数,而始终要保持最小和次小,最小的很好比较,每次跟输入的值比较即可,但是涉及到最小和次小同时比较就要比较很多次。(虽然时间复杂度还是O(n),但是RTR does not trust in COMPLEXITY,实时渲染不相信复杂度,只相信绝对的速度)

(4)、Aliasing
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由于shadow map上每个像素都可以理解成一个小片,投影出来的阴影图还会涉及到分辨率等问题,所以会出现锯齿。

二、The math behind shadow mapping

1、Inequalities in Calculus

There are a lot of useful inequalities in calculus

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2、Approximation in RTR

  • But in RTR, we care more about “approximately equal”
  • An important approximation throughout RTR
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在实时渲染中我们更关心近似相等,在一系列条件下让不等变成约等。

3、In Shadow Mapping

  • Recall: the rendering equation with explicit visibility
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  • Approximated as
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用刚刚的公式可以将渲染方程中的V拿出来做归一化。

这时左边是visibility部分,右边是shading部分,并且两者相乘,这正是shadow map的思路

When is it accurate?

​ --Small support
​ (point / directional lighting)

当积分限很小的时候,即小成一个很小很小的点(△),这个式子是准的,也就是当光源是点光源和方向光源时,这个式子没有问题。

​ --Smooth integrand
​ (diffuse bsdf / constant radiance area lighting)

当光照L不变,对应一个面光源(积分限是光源所对应的立体角上),面光源内部的radiance都不变,这里我们就可以认为L是完全smooth的,对于shading point,如果BRDF是diffuse的时候是smooth的。

因此当一个光源是面光源且shading point是diffuse时,这时我们也认为得到的结果是准确的。

三、Percentage closer soft shadows

From Hard Shadows to Soft Shadows

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软阴影是从本影到没有阴影之间有一个半影区域,在这些区域看向光源,光源会被部分遮挡。

1、Percentage Closer Filtering (PCF)

  • Provides anti-aliasing at shadows’ edges

    ​ --Not for soft shadows (PCSS is, introducing later)

    ​ --Filtering the results of shadow comparisons

PCF是用来做抗锯齿(反走样),但是后来人们发现这个技术还可以做软阴影,于是有了PCSS

  • Why not filtering the shadow map?

    ​ --Texture filtering just averages color components, i.e. you’ll get blurred shadow map first

    ​ --Averaging depth values, then comparing, you still get a binary visibility

PCSS不是对渲染出来的阴影图做软阴影处理,也不是对shadow map做处理,而是在阴影判断的时候就做处理(类似于GAMES101中提到的做反走样的流程)

  • Solution [Reeves, SIGGARPH 87]

    –Perform multiple (e.g. 7x7) depth comparisons for each fragment

    –Then, averages results of comparisons

    之前判断任何一个点在不在阴影里的时候,我们将shading point连向light算出深度去跟shadow map对应的这点的深度去比较。

    在PCF的算法中,对于一个shading point,依然判断是否落在阴影里,但是投影到light之后不只是找shadow map对应点的像素,同时找shadow map对应该点的像素周围一圈的像素(如7×7),将这一圈的每一个像素深度值都与该shading point深度值去比较,由于每一次比较之后返回的值仅为0和1,做完比较之后把这值取平均,返回到这个点上。

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    –e.g. for point P on the floor,
    (1) compare its depth with all pixels in the red box, e.g. 3x3

    首先将shading point的点P深度值与shadow map中对应该像素以及周围3×3的每一个像素的深度值分别比较

    (2) get the compared results, e.g.

    ​ 1, 0, 1,
    ​ 1, 0, 1,
    ​ 1, 1, 0,

    然后得到一组返回值

    (3) take avg. to get visibility, e.g. 0.667

    将这组返回值取平均返回给点P

  • Does filtering size matter?

    –Small -> sharper

    –Large -> softer

    如果卷积盒取小了边缘会很锐利,锯齿问题不会得到改善,卷积盒取大了虽然锯齿没了,但是图片也糊了。

  • Can we use PCF to achieve soft shadow effects?

    软阴影的操作就可以通过对硬阴影取一个很大的卷积盒(filter)来实现

  • Key thoughts

    –From hard shadows to soft shadows

    –What’s the correct size to filter?

    –Is it uniform?

2、Percentage Closer Soft Shadows

  • Key observation [Fernando et al.]

    –Where is sharper? Where is softer?

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物体离投影平面越近,则阴影越硬,离投影平面越远,则阴影越软。

  • Key conclusion

    –Filter size <-> blocker distance

    –More accurately, relative average projected blocker depth!

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    如上图,黄色的W是光源,中间的绿色点是投影物体(遮挡物),灰色W是软阴影区域,两个W及其连线组成了一对相似三角形,根据相似三角形原理可以求出软阴影区域WPenumbr。这个图可以很好地表明物体离投影平面越近,则阴影越硬,离投影平面越远,则阴影越软。

  • A mathematical “translation”

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根据相似三角形将其软阴影用式子表示出来。

  • Now the only question:

    –What’s the blocker depth dBlocker

    卷积盒filter的大小取决于Light的大小和Blocker的大小。由于Blocker可能是很多不规则物体组成的,因此该处的Blocker要取平均:对于一个shading point来说,在一定的范围内,有多少可以在shadow map上挡住其的像素,这些像素记录的深度的平均值是多少。

  • The complete algorithm of PCSS

    –Step 1: Blocker search
    (getting the average blocker depth in a certain region)

    –Step 2: Penumbra estimation
    (use the average blocker depth to determine filter size)

    –Step 3: Percentage Closer Filtering

  • Which region to perform blocker search?

    –Can be set constant (e.g. 5x5), but can be better with heuristics

在shading point中,原本就是为了决定在一个shadow map周围多大的范围(filte)做PCF,为了知道这个信息,首先要知道average blocker depth是多少,为了知道这个信息,首先也应该先取一个区域去找average Blocker然后求depth,人们通常一开始固定一个范围大小(如5×5),另外还有更好的方法:

  • Which region (on the shadow map) to perform blocker search?

​ --depends on the light size

​ --and receiver’s distance from the light

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将shading point连向Light,就可以得到其在shadow map上的区域(如上图红色部分),通过这部分区域来确定filter。

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