opengl 教程(24) shadow mapping (2)

原帖地址：http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial24/tutorial24.html

本篇教程中，我们通过shadowmap来实现阴影渲染。

我们知道shadow mapping是一个两趟渲染技术，在第一趟渲染过程中，光源位置作为视点，下面我们回顾一下第一趟渲染时候，顶点的z分量是如何变化的。

1. 局部坐标空间中的顶点位置被传入vertex shader。
2. 在vertex shader中，局部坐标的顶点值被转化为clip空间表示的顶点值。
3. 执行透视除法，顶点被转化到归一化的clip空间，这个空间中x，y，z值的范围都是[-1,1],这个范围之外的顶点值都被clip掉。
4. 光栅化时候映射x，y值到屏幕空间坐标系。(例如： 800x600, 1024x768, etc)。
5. 光栅化阶段在屏幕空间中对三角形的顶点进行差值，得到该三角形覆盖的每个像素的x,y值。顶点的z值(仍在[-1,1]范围内)也被差值，结果放在深度缓冲中。
6. 由于第一趟渲染中，禁止颜色写，所以fs(PS)不会被执行，但深度测试仍会进行，深度buffer也会更新。

在第二趟渲染中，视点在摄像机的位置，所以我们会得到一个不同的深度缓冲。两个缓冲都是需要的，一个用来保证物体渲染顺序，一个用来判断顶点是否在阴影内。 我们可以通过在第二趟渲染的vertex shader中传入两个WVP矩阵来做到这个。

1. 内建的 gl_Position是摄像机WVP矩阵转化后得到的顶点位置。
2. 另一个传输到下一个阶段的向量则是光源位置WVP矩阵转化后的顶点值。

向量gl_Position用作通常的渲染，另一个向量在光栅化阶段也被差值，每个fragment也有自己相应的值。 该向量的z值即为光源到该点的距离。该z值可以和shadow map中的深度值比较，决定该fragment是否在阴影内。

1. 硬件会自动对gl_Position进行透视除法，但是对于我们传入的第二个向量，我们必须在fs(ps)中手工进行透视除法，以便把该向量转化为归一化clip空间中。
2. 把[-1,1]范围的x,y坐标转为到[0,1]范围，以便能够作为纹理坐标，来采样shadow map值。
   • u = 0.5 * X + 0.5
   • v = 0.5 * Y + 0.5

源码：

lighting_technique.h

class LightingTechnique : public Technique {
    public:
    ...
        void SetLightWVP(const Matrix4f& LightWVP);
        void SetShadowMapTextureUnit(unsigned int TextureUnit);
    ...
    private:
        GLuint m_LightWVPLocation;
        GLuint m_shadowMapLocation;
...


增加一个新的属性，用来表示光源位置作为视点的WVP矩阵。我们用texture unit 0表示通常的纹理，texture unit 1表示shadow map。

lighting.vs

#version 400
layout (location = 0) in vec3 Position;
layout (location = 1) in vec2 TexCoord;
layout (location = 2) in vec3 Normal;
uniform mat4 gWVP;
uniform mat4 gLightWVP;
uniform mat4 gWorld;
out vec4 LightSpacePos;
out vec2 TexCoord0;
out vec3 Normal0;
out vec3 WorldPos0;
void main()
{
    gl_Position = gWVP * vec4(Position, 1.0);
LightSpacePos = gLightWVP * vec4(Position, 1.0);
    TexCoord0 = TexCoord;
    Normal0 = (gWorld * vec4(Normal, 0.0)).xyz;
    WorldPos0 = (gWorld * vec4(Position, 1.0)).xyz;
}

lighting.fs:58

float CalcShadowFactor(vec4 LightSpacePos)
{
    vec3 ProjCoords = LightSpacePos.xyz / LightSpacePos.w;
    vec2 UVCoords;
    UVCoords.x = 0.5 * ProjCoords.x + 0.5;
    UVCoords.y = 0.5 * ProjCoords.y + 0.5;
    float z = 0.5 * ProjCoords.z + 0.5;
    float Depth = texture(gShadowMap, UVCoords).x;
    if (Depth < (z + 0.00001))
        return 0.5;
    else
        return 1.0;
}

上面这个shader函数用来计算阴影因子。