CSharpGL(44)用ShadowMapping方式畫物體的影子
在（前文）已經實現了渲染到紋理（Render To Texture）的功能，在此基礎上，本文記錄畫物體的影子的方式之一——shadow mapping。
下載
CSharpGL已在GitHub開源，歡迎對OpenGL有興趣的同學加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）
開始
如圖所示，在藍色背景下，有一個金色的茶壺（Teapot模型）和一塊灰色的地面（4個頂點組成的正方形），空中有一個立方體（代表光源的位置）發出光，照到茶壺和地面上，地面顯示出了茶壺的影子，茶壺身上也顯示出了壺柄和壺蓋的部分影子。這就是shadow mapping的效果。
本文僅以聚光燈類型的光源為例。其他類型的光源暫時先不做了，還有別的東西要弄。
原理
一個fragment為何會是陰影的所在地？因為有物體擋在了此fragment與光源之間。那么OpenGL如何反映這種（光源-物體-fragment）之間的遮擋關系？方法就是以光源的位置為攝像機的位置，渲染一遍場景，此時的深度圖就能夠反映這個關系：深度圖上的數據，就是距離光源最近的fragment的深度值（即，如果某fragment的深度值大于此值，那么他就在陰影中，否則就是被光源照射到了）。
下面是上圖的深度圖。（由于我設定茶壺是一直在旋轉的，所以茶壺的角度可能不吻合）
白色的部分，代表深度值為1，是最遠的，顏色越黑，代表深度值越接近0，即最近的。
我初次見到這種深度圖的時候，誤以為直接把這個圖貼到地面上就完事了，然而看看最后的效果圖，又不是這樣，十分不解。現在才知道不是直接貼，而是以此為依據，判定fragment是否在陰影內，從而計算此fragment的顏色值。
獲取Depth texture
為了獲取深度圖（Depth Texture），我們需要使用（上文）提到到Render To Teture技術：創建Framgbuffer，把Texture綁定到此Framebuffer的depth component上。然后以光源的位置為攝像機的位置，渲染整個場景。所以光源下的每個能夠產生陰影的結點，都要有這樣一個vertex shader（不需要fragment shadedr）：
1 #version 330 2 3 uniform mat4 mvpMatrix; 4 5 layout (location = 0) in vec4 position;; 6 7 void main(void) 8 { 9 gl_Position = mvpMatrix * position; 10 }
哪里是影子？
然后就依據深度圖來判定fragment是不是在影子里。
Vertex shader
在shadow mapping的渲染過程中，由于需要和【攝像機在光源時，頂點在eye space里的坐標】比較，所以在vertex shader里要手動計算此坐標(shadow_coord)。
1 #version 330 2 3 uniform mat4 model_matrix; 4 uniform mat4 view_matrix; 5 uniform mat4 projection_matrix; 6 7 uniform mat4 shadow_matrix; 8 9 layout (location = 0) in vec4 position; 10 layout (location = 1) in vec3 normal; 11 12 out VS_FS_INTERFACE 13 { 14 vec4 shadow_coord; 15 vec3 world_coord; 16 vec3 eye_coord; 17 vec3 normal; 18 } vertex; 19 20 void main(void) 21 { 22 vec4 world_pos = model_matrix * position; 23 vec4 eye_pos = view_matrix * world_pos; 24 vec4 clip_pos = projection_matrix * eye_pos; 25 26 vertex.world_coord = world_pos.xyz; 27 vertex.eye_coord = eye_pos.xyz; 28 vertex.shadow_coord = shadow_matrix * world_pos; 29 vertex.normal = normalize(mat3(view_matrix * model_matrix) * normal); 30 31 gl_Position = clip_pos; 32 }
Fragment shader
在fragment shader里，其他方面與一般的光照計算相同，只有在判定此fragment屬于陰影內時，才會削弱光照對它的影響。sampler2DShadow是比sampler2D更適合做shadow mapping的紋理采樣器類型，它指向的，就是上一步得到的深度圖（depth texture）。可見，紋理是紋理，采樣器是采樣器，換個采樣器，仍舊可以對相同的紋理采樣，然而得到的數據是不同的。
1 #version 330 2 3 uniform sampler2DShadow depth_texture; 4 uniform vec3 light_position; 5 6 uniform vec3 material_ambient; 7 uniform vec3 material_diffuse; 8 uniform vec3 material_specular; 9 uniform float material_specular_power; 10 11 layout (location = 0) out vec4 color; 12 13 in VS_FS_INTERFACE 14 { 15 vec4 shadow_coord; 16 vec3 world_coord; 17 vec3 eye_coord; 18 vec3 normal; 19 } fragment; 20 21 void main(void) 22 { 23 vec3 N = normalize(fragment.normal); 24 vec3 L = normalize(light_position - fragment.eye_coord); 25 vec3 R = reflect(L, N); 26 vec3 E = normalize(fragment.eye_coord); 27 float NdotL = dot(N, L); 28 float EdotR = dot(E, R); 29 float diffuse = max(NdotL, 0.0); 30 float specular = max(pow(EdotR, material_specular_power), 0.0); 31 float f = textureProj(depth_texture, fragment.shadow_coord); 32 33 color = vec4(material_ambient + f * (material_diffuse * diffuse + material_specular * specular), 1.0); 34 }
似乎忘了記錄一下如何實現經典的光照模型，等下一篇吧。
總結
最近突然發現了多次遍歷的妙用。
解析obj格式的模型文件，可以用多次遍歷的方式：
第一次遍歷，只記錄頂點數目、索引數目等統計值；
第二次遍歷，根據上次的統計值，直接創建固定長度的數組，既不浪費空間，又避免了動態數組的可能反復分配空間的問題；
第三次遍歷，對上次的數據計算法線；
第四次遍歷，計算模型的體積和中心位置。
渲染場景，也可以用多次遍歷的方式：
第一次遍歷，根據場景的樹結構，依次更新各個結點的位置；
第二次遍歷，對支持shadow mapping的結點，更新其depth texture；
第三次遍歷，渲染場景到窗口。
這樣代碼就能拆分開來，還能根據情況選擇是否使用其中某些遍歷步驟。比如解析obj文件，如果不需要計算法線，我可以跳過第三次遍歷；比如渲染場景，如果沒有shadow mapping結點，我可以跳過第二次遍歷。
聯想到編譯器也是采用的多次遍歷的方式，
第一次遍歷，詞法分析；
第二次遍歷，語法分析；
第三次遍歷，語義分析；
第四次遍歷，優化……
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