OpenGLRender开发记录(二): 阴影(shadowMap，PCF，PCSS)
目录
- 已实现功能
- 阴影
- shadowMap
- PCF
- PCSS
- 实现
- shadowMap
- PCF
- PCSS
- 阴影
GitHub主页：https://github.com/sdpyy1
OpenGLRender:https://github.com/sdpyy1/CppLearn/tree/main/OpenGL
已实现功能
除了上次实现IBL之外，项目目前新增了imGUI的渲染，更方便地进行调试
可以随意切换IBL贴图、模型控制、灯光控制灯。 并且添加了一个PBR材质的地板。下一步就是实现阴影
阴影
shadowMap
这个东西很简单，直接实现了，不讲原理
PCF
取周围一圈的像素求平均，让阴影更软
PCSS
① Blocker Search 阶段（寻找遮挡者）
目的：估算遮挡物与被遮挡物之间的距离 → 用于计算 penumbra（阴影模糊程度）
步骤：
从当前 fragment 的 light space 坐标，投影到 shadow map 中：projCoords.xy
以该位置为中心，在 shadow map 中进行 小范围采样（通常 3x3 或 5x5）：
收集所有 比当前 fragment 深度更小的样本（说明它们挡住了光）
累加这些“遮挡者”的深度值
记录 blocker 数量
若存在 blocker：
计算平均 blocker 深度 avgBlockerDepth
② Penumbra Size 计算阶段（决定模糊程度）
目的：用当前 fragment 深度 与 avgBlockerDepth 的距离估算光源发散导致的阴影模糊程度
③ Filtering 阶段（模糊阴影边缘）
目的：根据 penumbra 大小，用可变范围 PCF 模糊阴影边缘
所以PCSS可以叫自适应PCF
实现
shadowMap
初始化一个FBO用于shadowMap的渲染，创建一张纹理存储深度结果
void ShadowPass::init() {glGenFramebuffers(1, &shadowFBO);// 创建深度纹理glGenTextures(1, &shadowMap);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, shadowMap);glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT,scene.width, scene.height, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);// attach 深度纹理到FBOglBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, shadowFBO);glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, shadowMap, 0);glDrawBuffer(GL_NONE);glReadBuffer(GL_NONE);glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);isInit = true;
}
下一步就是在光源视角下渲染，首先得找到摄像机的位置，其实就是MVP矩阵的VP用光源而不是用摄像机，下面是对于平行光的shadowMap渲染
void ShadowPass::render() {if (!isInit){std::cout << "shadowPass init" << std::endl;return;}glViewport(0, 0, scene.width, scene.height);glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, shadowFBO);glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);// glCullFace(GL_FRONT); // 可选，防止 Peter-panningshadowShader.bind();glm::mat4 lightProjection, lightView;float orthoSize = 10.0f;float near_plane = 0.1f;float far_plane = 100.0f; // 你可以再根据场景大小动态调整// 平行光使用正交投影lightProjection = glm::ortho(-orthoSize, orthoSize, -orthoSize, orthoSize, near_plane, far_plane);// TODO：只实现了平行光，他的position存储的是方向，而不是位置，所以要取反lightView = glm::lookAt(-scene.lights[0]->position * 10.0f, glm::vec3(0.0f), glm::vec3(0.0, 1.0, 0.0));lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;shadowShader.setMat4("lightSpaceMatrix", lightSpaceMatrix);// 渲染所有模型（只写深度）for (auto& model : scene.models) {glm::mat4 modelMatrix = model.getModelMatrix();shadowShader.setMat4("model", modelMatrix);model.draw(shadowShader);}shadowShader.unBind();
// glCullFace(GL_BACK);glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);glViewport(0, 0, scene.width, scene.height);
}
顶点着色器，物体要乘以lightSpaceMatrix来转到光源视角下
#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;uniform mat4 model;
uniform mat4 lightSpaceMatrix;void main() {gl_Position = lightSpaceMatrix * model * vec4(aPos, 1.0);
}片段着色器不需要执行操作
#version 330 core
void main() {// 空着就行，只写深度
}下一步将生成的shadowMap传递到lightPass来参与光照计算，另外需要把lightMatrix也传递过去，用于把模型距离值转移到视角下来进行比较
float ShadowCalculation(vec3 fragPosWorld, vec3 normal) {vec4 fragPosLightSpace = lightSpaceMatrix * vec4(fragPosWorld, 1.0);vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5; // [-1,1] → [0,1]// 从深度贴图采样float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;float currentDepth = projCoords.z;// 简单 bias 防止 shadow acne
// float bias = max(0.005 * (1.0 - dot(normal, normalize(lightPos))), 0.001);// 超出边界不产生阴影if (projCoords.z > 1.0)return 0.0;// 进行一次比较return (currentDepth) > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
}
有了计算阴影的函数后，只需要在计算光照的最后*（1-shadow）
vec3 Lo = (kD * albedo / PI + specular) * radiance * NdotL * (1-ShadowCalculation(WorldPos, N));
结果如下，经典的自阴影现象，主要原因就是shadowMap的分辨率不足，一些不在同一高度的位置被记录了相同高度，在主摄像机渲染时，某个位置在shadowMap存储的高度比自己本来还要高，就会被认为是阴影（但是这种情况下很好分辨光源摄像机的覆盖范围，方便调试🙂）
当我把shadowMap的分辨率提高后，自然就消失了，但这肯定不是最优
通常的做法是加一个自偏移，也就是说shadowMap存的高度和我用来比较的高度差异不超过bias，就认为没有阴影
float ShadowCalculation(vec3 fragPosWorld, vec3 normal) {vec4 fragPosLightSpace = lightSpaceMatrix * vec4(fragPosWorld, 1.0);vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5; // [-1,1] → [0,1]// 从深度贴图采样float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;float currentDepth = projCoords.z;// 简单 bias 防止 shadow acnefloat bias = max(0.005 * (1.0 - dot(normal, normalize(lightPos))), 0.001);// 超出边界不产生阴影if (projCoords.z > 1.0)return 0.0;// 进行一次比较return (currentDepth - bias) > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
}
PCF
阴影问题解决了，下面就是提升效果，当前的阴影是硬阴影，锯齿很严重
PCF思路就是取周围像素的shadow来取平均，柔化阴影边界
// --- PCF ---float shadow = 0.0;ivec2 texSize = textureSize(shadowMap, 0);vec2 texelSize = 1.0 /vec2(texSize);int range = 10; // 5x5int samples = 0;for (int x = -range; x <= range; ++x) {for (int y = -range; y <= range; ++y) {float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;shadow += (currentDepth - bias > pcfDepth) ? 1.0 : 0.0;samples++;}}shadow /= float(samples);return shadow;
PCSS
三步走，一些参数我已经提取出去当uniform，可以控制第一步的搜索半径、第二步的半影大小、以及控制一下最大的滤波核大小
float avgBlockerDepth = 0.0;int blockers = 0;ivec2 texSize = textureSize(shadowMap, 0);vec2 texelSize = 1.0 / vec2(texSize);int searchRadius = int(PCSSBlockerSearchRadius);for (int x = -searchRadius; x <= searchRadius; ++x) {for (int y = -searchRadius; y <= searchRadius; ++y) {float sampleDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;if (sampleDepth < currentDepth - bias) {avgBlockerDepth += sampleDepth;blockers++;}}}if (blockers == 0) return 0.0;avgBlockerDepth /= blockers;float penumbra = (currentDepth - avgBlockerDepth) * PCSSScale;int kernel = int(clamp(penumbra * float(texSize.x), 1.0, PCSSKernelMax));float shadow = 0.0;for (int x = -kernel; x <= kernel; ++x) {for (int y = -kernel; y <= kernel; ++y) {float sampleDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;shadow += (currentDepth - bias > sampleDepth) ? 1.0 : 0.0;}}shadow /= float((2 * kernel + 1) * (2 * kernel + 1));return shadow;
阴影
三种阴影可以写在一起
float ShadowCalculation(vec3 fragPosWorld, vec3 normal) {vec4 fragPosLightSpace = lightSpaceMatrix * vec4(fragPosWorld, 1.0);vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;if (projCoords.z > 1.0) return 0.0;float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;float currentDepth = projCoords.z;float bias = max(0.005 * (1.0 - dot(normal, normalize(lightPos))), 0.001);// shadow type switchingif (shadowType == 0) {return 0.0; // no shadow}else if (shadowType == 1) {return (currentDepth - bias > closestDepth) ? 1.0 : 0.0; // hard shadow}else if (shadowType == 2) {// --- PCF ---float shadow = 0.0;ivec2 texSize = textureSize(shadowMap, 0);vec2 texelSize = 1.0 /vec2(texSize);int range = pcfScope;int samples = 0;for (int x = -range; x <= range; ++x) {for (int y = -range; y <= range; ++y) {float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;shadow += (currentDepth - bias > pcfDepth) ? 1.0 : 0.0;samples++;}}shadow /= float(samples);return shadow;}else if (shadowType == 3) {float avgBlockerDepth = 0.0;int blockers = 0;ivec2 texSize = textureSize(shadowMap, 0);vec2 texelSize = 1.0 / vec2(texSize);int searchRadius = int(PCSSBlockerSearchRadius);for (int x = -searchRadius; x <= searchRadius; ++x) {for (int y = -searchRadius; y <= searchRadius; ++y) {float sampleDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;if (sampleDepth < currentDepth - bias) {avgBlockerDepth += sampleDepth;blockers++;}}}if (blockers == 0) return 0.0;avgBlockerDepth /= blockers;float penumbra = (currentDepth - avgBlockerDepth) * PCSSScale;int kernel = int(clamp(penumbra * float(texSize.x), 1.0, PCSSKernelMax));float shadow = 0.0;for (int x = -kernel; x <= kernel; ++x) {for (int y = -kernel; y <= kernel; ++y) {float sampleDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r;shadow += (currentDepth - bias > sampleDepth) ? 1.0 : 0.0;}}shadow /= float((2 * kernel + 1) * (2 * kernel + 1));return shadow;}return 0.0;
}