基于shadow map的软阴影生成

Shadow mapping的基本思想比较简单。首先，从光源位置为视点来渲染深度缓存，得到depth map(shadow map)，其本质是表示离光源最近像素的深度的2D函数；其次，从眼睛位置为视点来渲染场景，即对每个光栅化的片断，确定片断相对于光源的XYZ位置，该光源的位置应对应用于创建depth map的frustum；最后，将depth map中的在光位置XY处的深度值与片断的光位置Z比较，如果后者大于前者，则必有比该片断离光源更近的物体，所以该片断在阴影中；若两者近似相等，则片断被光照。

 

介绍
最初，动态阴影技术只有在有限的几种情况下才能实现。但是，随着强大的可编程图形硬件的面世，动态阴影技术已经完全取代了以前的如light map这样的静态阴影技术及像projected shadows这样的半动态阴影技术。目前两种流行的动态阴影技术分别是shadow volumes和shadow mapping。

 

近况
shadow volumes技术是一种基于几何形体的技术，它需要几何体在一定方向的灯光下的轮廓去产生一个封闭的容积，然后通过光线的投射就可以决定场景的阴影部分（常常使用模板缓冲去模拟光线的投射）。这项技术是像素精确的，不会产生任何的锯齿现象，但是与其他的技术一样，它也有缺点。最主要的两个问题一是极度依赖几何形体，二是需要非常高的填充率。由于这些缺点，使得shadow mapping技术渐渐地变得更为流行起来。
阴影映射技术是一种图像空间的技术，它首先在以光源位置作为视点的情况下渲染整个场景的深度信息，然后再使用这些深度信息去决定场景的哪一部分是处于阴影之中。虽然这项技术有许多优点，但它有锯齿现象并且依赖z-缓冲技术。不过它的优点足以抵消它的这些缺点，因此本文选用了这项技术。

 

软阴影
硬阴影破坏了场景的真实性，因此，我们必须仿造软阴影来提升场景的可视效果。许多狂热的学者都拿出了描述软阴影技术的论文。但实际上，这些技术大部分都是很难在一个较为复杂的场景下实现实时效果。直到我们拥有了能克服这些技术局限性的硬件后，我们才真正的采用了这些方法。
本文采用了基于图像空间的方法，并利用shadow mapping技术来产生软阴影。这个方法不能产生完美的阴影，因为没有真正的模拟出本影和半影，但它不仅仅可以解决阴影映射技术的锯齿现象，还能以赏心悦目的软阴影来提升场景的可视效果。

 

那么它如何工作？
首先，我们生成阴影映射图（shadow map），具体方法是以光源位置为视点，将场景的深度信息渲染到浮点格式的缓冲中去。然后我们不是像通常那样在阴影下渲染场景，而是将阴影区域渲染到一幅屏幕大小的缓冲中去，这样就可以使用bloom filter进行模糊并将它投射回屏幕空间中使其显示在屏幕上。是不是很简单？
本文只处理了聚光灯源这种情况，但可以很方便的推广到点光源上。

下面是具体步骤：
通过将深度信息写入浮点纹理的方法产生阴影映射图（shadow map）。
深度比较后将场景的阴影部分渲染到定点纹理，此时不要任何的灯光。
使用bloom filter模糊上一步的纹理，本文采用了separable Gaussian filter，也可用其他的方法。
在所有的光源下将上一步模糊后的纹理投射到屏幕空间中，从而得到最终的效果。