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《OGL dev》Etay Meiri Tutorial 23 - Shadow Mapping - Part 1 笔记

2022-04-18 6 min read # OGL dev

生成阴影的技术有很多种，Shadow Mapping是其中比较简单基础的一种。

一次深度测试能在depth buffer中得到与屏幕上每个像素对应的每个离摄像机最近的片元的z值。shadow mapping利用这个原理， 通过两次draw call调用，实现一个光源的阴影。其中每一次draw call调用称为一个pass。

  1. 第一个pass，将摄影机置于光源，得到depth buffer。这个pass不渲染到color buffer，不显示到屏幕上。而是将depth buffer的内容写入到一张纹理，称为shadow map。向这样将一次渲染的结果写入到纹理的技术称为“render to texture(渲染到纹理)”，简称RTT。
  2. 第二个pass，将摄影机放置回它本来的位置，正常渲染。在fragment shader中将shadow map作为纹理读入，将每一个片元变换到以光源为摄影机的NDC空间中，再将它的深度值与shadow map对应像素的深度值进行比较。如果片元的深度值与shadow map对应深度值不同，说明它不是离光源最近的片元，需要绘制阴影。如果相同，则不需绘制阴影。

Part1教程只学习第一个pass，因此第二个pass改为将shadow map渲染到屏幕上。具体OpenGL的API调用如下。

第一个pass：

首先需要创建一个纹理对象和framebuffer对象。

  1. 纹理对象用于保存shadow map。纹理对象，通过glGenTextures(1, &m_shadowMap);创建，glDeleteTextures(1, &m_shadowMap);销毁，其中m_shadowMap是GLuint类型的handle。
  2. 而framebuffer对象则是因为，默认情况下，OpenGL渲染到默认的framebuffer的color buffer，从而显示到屏幕上。将OpenGL渲染的到的framebuffer改为用户创建的framebuffer对象，可以通过配置这个framebuffer，使OpenGL渲染到纹理对象，并阻止它显示在屏幕上。framebuffer对象，通过glGenFramebuffers(1, &m_fbo);创建，glDeleteFramebuffers(1, &m_fbo);销毁，其中m_fbo是GLuint类型的handle。

然后初始化纹理对象和framebuffer对象。

  1. 初始化纹理对象。
    1. 绑定texture target：glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_shadowMap);将m_shadowMap绑定到当前texture unit的GL_TEXTURE_2D。(默认texture unit为texture unit 0)。
    2. 初始化纹理数据：glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, WindowWidth, WindowHeight, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
      • 第一个参数为要操作的texture target。
      • 第二个为mipmap level参数，0表示最高分辨率。
      • 第三个表示OpenGL中存储纹理数据的格式，GL_DEPTH_COMPONENT表示归一化单浮点深度。
      • WindowWidth和WindowHeight表示纹理的宽高。
      • 之后的0是border(边界)参数，目前不使用。
      • 之后的GL_DEPTH_COMPONENT表示内存中纹理数据的格式。
      • 之后的GL_FLOAT，表示每个通道为单精度浮点。
      • 最后是NULL是内存中的数据源，因为shadow map是从渲染写入的，赋值初始数据源没有意义。
    3. 设定filter，不设置的话是无法对浮点纹理坐标进行采样的。glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);将放大和缩小都设定为线性过滤(即双线性过滤)。
    4. 设定纹理坐标超过[0, 1]区间的情况如何采样。这是可选的，默认值为GL_REPEAT，表示重复。GL_CLAMP_TO_EDGE表示超出部分使用边界颜色。glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);分别设置u和v坐标。
  2. 初始化framebuffer对象。
    1. 绑定：glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, m_fbo);，将m_fbo绑定到GL_FRAMEBUFFER，后续对GL_FRAMEBUFFER的操作，应用于m_fbo。
      • glBindFramebuffer的第一个参数可选GL_FRAMEBUFFER、GL_DRAW_FRAMEBUFFER或GL_READ_FRAMEBUFFER。其中GL_FRAMEBUFFER表示读写，GL_DRAW_FRAMEBUFFER表示写入，GL_READ_FRAMEBUFFER表示读取。GL_FRAMEBUFFER是初始化framebuffer对象时推荐的方式。渲染时会使用GL_DRAW_FRAMEBUFFER。使用glReadPixels函数时，会用到GL_READ_FRAMEBUFFER(教程目前不使用)。
      • glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);绑定到默认的framebuffer。
    2. 将纹理对象附加到framebuffer对象：glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, m_shadowMap, 0);，GL_DEPTH_ATTACHMENT表示附加到depth attachment point，纹理对象将用于接收深度测试的结果，即depth buffer。attachment point还支持以下选项：
      • COLOR_ATTACHMENTi，纹理对象将接收fragment shader的颜色，即color buffer。i为整数后辍，因为fragment shader可以同时渲染到多个color buffer。
      • STENCIL_ATTACHMENT，纹理对象将接收模版测试的结果，即stencil buffer。
      • DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT，纹理对象将接收depth buffer和stencil buffer的组合，因两者常一起使用。
    3. 可选 ，glDrawBuffer(GL_NONE);，参数可选COLOR_ATTACHMENTi，默认color buffer附加到GL_COLOR_ATTACHMENT0。GL_NONE表示不写入到color buffer，同时禁用fragment shader。
      • 默认的framebuffer的选项只能是GL_NONE、GL_FRONT_LEFT、GL_FRONT_RIGHT、GL_BACK_LEFT和GL_BACK_RIGHT其中之一，FRONT和BACK分别对应front和back buffer，LEFT和RIGHT是因为每个buffer都有left和right buffer。
    4. 可选，glReadBuffer(GL_NONE);禁用framebuffer读取，这是为了避免仅支持OpenGL 3.x而不支持4.x的GPU出问题。
    5. 错误检查：GLenum Status = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER);，Status != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE表示发生错误。

最后渲染：

  1. 绑定：glBindFramebuffer(GL_DRAW_FRAMEBUFFER, m_fbo);
  2. 清空depth buffer：glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  3. 以光源作为摄影机调用draw call。
  4. 绑定到默认framebuffer：glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);，因为第二个pass要渲染到color buffer。

第二个Pass：

  1. 清空color buffer和depth buffer：glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  2. 激活texture unit 0，并将shadow map绑定到它的2D纹理，以供fragment shader中读取。
  3. 正常摄影机调用draw call。

教程中的fragment shader代码Depth = 1.0 - (1.0 - Depth) * 25.0;是因为以光源为摄像机时，由于透视投影矩阵与物体的位置设定，shadow map的深度值接近于1，直接输出到color buffer颜色会非常淡，因为rgb为0为黑，为1为白。因此对从shadow map的深度值到1这段区域，向深度值为0的方向，进行了25倍缩放，以使得颜色更深。

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