shadow map 纹理阴影

在计算机图形学中，阴影是增加场景真实感的关键元素之一。"Shadow Map"技术就是一种常用的实现实时阴影的方法，特别是在3D游戏和虚拟现实应用中。本话题将深入探讨如何利用OpenGL和GLSL（OpenGL着色语言）来创建基本的纹理阴影。 一、阴影贴图（Shadow Map）原理 阴影贴图是一种将光源空间中的场景深度信息存储到纹理中的技术。当渲染场景物体时，我们检查物体表面相对于光源的位置，如果该位置在阴影贴图中对应的深度大于物体自身深度，则说明此位置被遮挡，处于阴影中；反之，则为光照区域。 二、OpenGL与GLSL简介 OpenGL是一个跨语言、跨平台的编程接口，用于渲染2D、3D图形。而GLSL是OpenGL的着色语言，允许开发者编写运行在GPU上的程序，提高计算性能，实现复杂的图形效果。 三、实现步骤 1. **设置深度纹理**：我们需要创建一个浮点型深度纹理，用于存储光源视口内的场景深度信息。 2. **深度投影**：在光源视角下，对场景进行投影，将每个像素的深度值写入深度纹理。这个过程通常在GPU的片段着色器中完成。 3. **主视图渲染**：在常规的摄像机视角下，渲染场景。在片段着色器中，读取对应位置的深度纹理，与当前片段的深度进行比较，决定是否绘制阴影。 4. **阴影计算**：通过比较当前片段的深度与阴影贴图中的深度，可以计算出阴影系数。这个系数可以线性插值或使用软阴影技术（如PCF，Percentage-Closer Filtering）来平滑边缘。 5. **应用阴影**：将阴影系数乘以光源颜色，得到最终的着色结果。 四、GLSL着色器代码 GLSL着色器分为顶点着色器和片段着色器。顶点着色器处理几何信息，片段着色器处理颜色和阴影计算。 在顶点着色器中，你需要将坐标转换到光源空间，然后传递给片段着色器： ```glsl #version 330 core layout(location = 0) in vec3 aPos; uniform mat4 model; uniform mat4 view; uniform mat4 projection; uniform mat4 lightSpaceMatrix; void main() { gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); gl_Position = lightSpaceMatrix * gl_Position; } ``` 片段着色器中，从深度纹理中获取深度并计算阴影： ```glsl #version 330 core out vec4 FragColor; in vec2 TexCoord; uniform sampler2D depthMap; uniform vec3 lightPos; uniform vec3 viewPos; float shadowCalculation(vec3 fragPos, vec3 lightDir) { // ...阴影计算代码... } void main() { // ...颜色计算... float shadow = shadowCalculation FragPos, lightDir); FragColor = vec4(color * (1.0 - shadow), 1.0); } ``` 五、优化与扩展 - **过滤技术**：为了消除阴影边缘的锯齿，可以使用PCF或其他过滤方法，比如 Percentage-Closer Soft Shadows (PCSS)。 - **多级阴影贴图（Mipmapping）**：对于远距离的物体，使用低精度的深度信息可以提高效率。 - **VSM（Variation Shadow Maps）**：将阴影边缘的模糊度也编码进纹理，简化了软阴影的计算。 - ** Cascaded Shadow Maps (CSM) **：适用于远距离和大范围的阴影，通过多个阴影贴图覆盖不同距离的区域。 通过理解并实践这些技术，你可以创建出更真实、更动态的3D场景。在实际项目中，还需要考虑性能优化，以确保在各种硬件配置上都能流畅运行。