Shadow Map

有光则有影，即时渲染的阴影可以使场景看上去更加真实。

算法描述： 

ShadowMap是一种基于阴影图的阴影生成方法，阴影图是一张2D贴图。阴影图中的每个像素都记录了从光源到遮挡物（遮挡物就是阴影生成物体）的每个“可见”像素的距离。这里的“可见”像素是指，以光源为观察点，光的方向为观察方向，设置观察矩阵并渲染所有遮挡物，最终出现在渲染表面上的像素。使用ShadowMap渲染阴影主要分两个过程：生成阴影图和使用阴影图渲染。下面的代码取自生成阴影图的PS代码

float distance=distance(lightpos,input.PWorld);    ①
distance*=distancescale;                                      ②
distance-=depthbais;                                            ③
return distance;                                                     ④

①     distance是HLSL的内置函数用于计算两点距离，这里获得了光源到当前像素的距离。

②     disancescaler用于对距离值进行缩放，这个值可以通过应用程序设置，使用它就可以对阴影进行即时可见的调整。

③     depthbais同样用于阴影图调整。

④     返回距离值，实际上此时的渲染目标已经被设置成阴影图，阴影图的设置方法和上节的立方体环境贴图类似，不过这里只需要将遮挡物渲染一次。

下图显示了一个场景和其使用到的阴影图。

需要在阴影图中保存从光源到“可见”点的距离是因为：利用这个距离就可以直接判

断一个像素是否在阴影中。如果一个世界空间的“点”到光源的距离大于阴影图中对

应像素的值，那么这个点肯定已经被另一个离光源更近的点遮挡住了，所以它肯定在

阴影中。基于这个原理就可以很容易的编写渲染阴影的代码了。

下面的代码取自渲染阴影的PS代码

 

float CurrentPixelDistance=distance(lightpos,input.PWorld)*distancescale+depthbais;①

Shadow = (CurrentPixelDistance > tex2Dproj(shadowmap,input.ShadowMapCord))②

Shadow*=ShadowDensity;③

Return Shadow;

  

①     这里获得当前像素到光源的距离。

②     首先对阴影图采样，再用当前像素的值和采样所得的值进行比较。大于则当前像素在阴影中，Shadow=1;否则Shadow=0；

③     这里ShadowDensity同样由应用程序调整，用于设置阴影浓度。

该PS返回了阴影值，该数值越大表示阴影越浓。但是直接将其输出是不行的，因为这里只有阴影，而场景必须将场景本身的颜色和阴影“混合”输出。这里的解决方案是AlphaBlend，简单的说就是首先按照指定的方式渲染场景，这里可以使用前面说的任何渲染方式；接着渲染阴影，在渲染阴影的时候启用AlphaBlend，这样前后两次渲染的结果就可以通过AlphaBlend“混合”在一起了。

另外，由于阴影图是一种基于贴图采样的技术。渲染效果和阴影图的分辨率有着极大的关系，当提高分辨率无法满足渲染效果的需要时，有必要采用一些图象处理的方法。例如，对阴影图进行多次采样使得阴影的边缘更加平滑。下面的Shader使用2×2PCF(Percentage Closer Filter)方法对阴影图进行过滤。

float ShadowDepth=tex2Dproj(shadowmap,input.ShadowMapCord);①

float ShadowDepth1=tex2Dproj(shadowmap,input.ShadowMapCord+float4(-SampleOffset,0,0,0));

float ShadowDepth2=tex2Dproj(shadowmap,input.ShadowMapCord+float4(0,-SampleOffset,0,0));

float ShadowDepth3=tex2Dproj(shadowmap,input.ShadowMapCord+float4(-SampleOffset,0,0,0));

float Shadow = (CurrentPixelDistance > ShadowDepth);②

float Shadow1=CurrentPixelDistance> ShadowDepth1;

float Shadow2=CurrentPixelDistance> ShadowDepth2;

float Shadow3=CurrentPixelDistance> ShadowDepth3;

……………………………………….

finalshadow=(Shadow+Shadow1+Shadow2+Shadow3)/4;③

①     这四行代码对阴影图执行了4次采样，每次采样以Sample Offset为偏移量，获得阴影图中对应像素周围4个像素所保存的光源距离。

②     这四行代码用每一个距离值和当前像素距离值比较得到4个阴影值。

③     平均四个阴影值，得到最终的阴影值。

很显然，当一个像素处于阴影边缘的时候，4次采样中可能会有部分结果为0，部分为1。平均以后就可以得到一个

0，1之间的值，这个值将会表现在阴影的浓度上，这样就可以形成平滑的阴影边缘。但是，提升效果的代价也是明

显的，使用多次采样会明显的降低速度。由于PS2.0最多可用64条指令，编写3×3PCF刚好够用，效果更好，但也

更慢。

下图对各种采样方式做了一个比较。从左到右逐渐提高了PCF（百分比渐进过滤）的采样次数:

结论，本文给出了一个ShadowMap的实现方式。需要注意的是，文中所提到的PCF实现方式并不是最佳的，因为现在的很多图形硬件已经从硬件上支持多次采样的PCF技术，这种技术能够获得更好的执行效率并且能够免除ps指令条数的限制。