Real-Time Shadow Technique

LiSPSM+VSM( shdowMap + Light space perspective shadow map + variance shadow map) 介绍 

1：shadow map

      Shadow map 是目前实现阴影效果的主流做法，可以做到self-shadow.

      假设在3D环境中只有太阳光源，如果太阳光可以直射到物体上某个位置A时，A点就不会落在阴影中。如果太阳光移动到物体表面上的位置B前，先照射到另一个物体，太阳的光线会被切断，B就落在阴影区里。可以把阴影的计算视为碰撞检测，A点不在阴影区内，也就是从A点到太阳之间可以直达，完全没有遮蔽；B点在阴影区内，也就等于是从B点到太阳之间的有某样东西切断了它们的直接连接。

      使用shadow map 来实现阴影效果，相当于使用GPU做碰撞检测，测试物体表面与光源之间是否存在任何阻隔。做隐藏面消除用的Z Buffer事件上就是对镜头做类似的工作。镜头里所看到的物体，它们到镜头之间没有任何阻隔，Z Buffer Test其实就是在做碰撞检测。如果物体到镜头之间有阻隔，就算它没有被略过不画，也会在后面的步骤中被其它对象所覆盖。

      把镜头移到光源位置，再把物体到光源间的距离值填入到动态贴图中，它就具有足够的信息来对光源做碰撞检测。把距离值画入动态贴图中是一件简单的事，不需要特别的技巧，因为Z Buffer存储的就是这个距离值，只要把 Z Buffer做为贴图直接拿来使用就可以了。没有规定动态贴图只能使用存储颜色的RGBA类型，有些硬件允许把存储距离的Z Buffer用来存储动态贴图：

      Uniform Shadow map 的原理很容易理解，有很多资料，这里不再介绍。shadow map 需要一次额外的渲染pass( shadow mapping requirs only one additional rendering pass),

     在引擎中一般会Z pre-pass, 那么我们利用MRT(Multi Render Target)技术把这两个pass 合二为一，另外把表面法线等存入额外的表面。以供 Deferred Lighting, Depth of field, Bloom 等 后期处理使用

2：Focus region B

      Shadow map遇到的一个最大的问题就是当场景很大时图片分辨率不足。在一个很大的场景中，我们能看到的区域A只是场景的一小部分，能投射阴影到区域A的物体所形成的区域B也只是一小部分，我们只需要把B中物体拍摄到阴影贴图中就可以了。

     图：详见shaderX 4    Page313  Robust shadow mapping with light space perspective shadow maps.

3：light space perspective shadow map

     基于PSM改进的 Warp the shadow map 技术， 使离摄像机更近的物体在shadow map中所占的区域更大，离的远的减少。

4：Variance shadow map

     variance shadow map 是一种柔化阴影技术，即在阴影边缘产生软化的边缘.

     效果如下图：

     

     VSM主要利用了 "期望","方差","切比雪夫不等式"的概念。

     与常规阴影利用直接把深度存入阴影贴图不同，在此我们使用D3DFMT_G32R32F格式，分别记录深度，及深度平方到深度图中

// 计算矩
float2 ComputeMoments( float depth)
{
      float2 moments;

      // 第一个moment为深度本身
     moments.x = depth;
     moments.y = depth * depth;

    return moments;
}

float4 PS( VS_OUTPUT In) : COLOR
{
     float2  moments = ComputeMoments( In.screenPos.z / In.screenPos.w);
 
    return  float4( moments, 0.f, 1.f);
}

方差 σ^2 = E(x^2) - (E(x))^2;

切比雪夫不等式：

p (t) = σ^2 / (σ^2 + ( t-E(x))^2);

 

//--------------------------------------------------------
// Computes Chebyshev's Inequality
//
float ChebyshevUpperBound( float2 moments, float t, float minVariance)
{
 // Standard shadow map comparison
 float p = ( t<=moments.x);

 // compute probabilistic upper bound
 float variance = moments.y - ( moments.x*moments.x);
 variance = max( variance, minVariance);

 // compute probabilistic upper bound
 float d = t - moments.x;
 float p_max = variance / ( variance + d*d);

 return max( p, p_max);
}

//--------------------------------------------------------
// variance shadow map
//
uniform float g_lbrAmount = 0.18f;

float tex2DSM( sampler2D shadowSampler, float4 posInLightSpace)
{
 float4 projPos = posInLightSpace / posInLightSpace.w;

 // soft shadow
 float2 moments = tex2D( shadowSampler, projPos.xy).xy;

 float shadowContrib = ChebyshevUpperBound( moments, projPos.z, 0.00001f);

 float lbr = clamp( (shadowContrib - g_lbrAmount)/(1-g_lbrAmount), 0, 1);
 //float lbr = smoothstep( g_lbrAmount, 1, shadowContrib);

 return saturate( lbr + 0.4f);
}

详见 gpu gems  3第八章节

5：Parallel-Split Shadow Maps

       平行分隔阴影基于以上的工作，还是很容易实现的。本人在此未实现，详情可参考 gpu gems3 第十章节！