投影（二）shadowMap

迈入投影

在计算机图形学领域，我们已经完成了大量关于光影交互的探索。在深入探究投影贴图世界之前，我们首先要正确理解它在场景渲染中所扮演的角色。阴影决定了物体在光照条件下的视觉表达，它是我们模拟真实环境时所追求的真实感的关键要素。阴影不仅可以增强图像的层次感，还可以为画面增加深度的错觉。在探索了硬阴影的实现之后，让我们继续深入浅出地探索阴影贴图。

阴影贴图的魔术

阴影贴图是一种存储场景深度信息的纹理贴图，以供后续着色使用。通过这种方式，我们可以有效避免多次渲染场景以获得准确的阴影，从而提高渲染效率。

获取深度数据

要构建阴影贴图，我们需要借助“帧缓冲”。它如同一个存储场景深度信息的巨大容器，提供了场景的深度信息。我们需要做的是将这些深度信息提取出来，并将其封装在一个名为“深度贴图”的纹理中。

阴影映射的艺术

从深度贴图中提取深度值后，我们就可以将这些数据投影到场景中的物体上，从而模拟出它们在光照下的阴影。这个过程称为“阴影映射”，它是一个繁复且精密的技巧。

我们首先需要确定阴影贴图中哪些像素对应于正在渲染的对象。一旦确定了这些像素，我们就可以根据它们的深度值决定物体是否被光源照射。如果像素代表的深度值小于物体当前的深度值，那么该点就位于阴影中；否则，该点就处于光照之下。

采样的困扰

刚开始接触阴影贴图的新手通常会面对一个困惑：阴影映射在多边形边缘附近会出现锯齿状的问题，这种现象被称为“采样伪影”。产生采样伪影的原因在于多边形的边缘通常会横跨多个像素，当我们在计算深度值时，往往只能获得其中一个像素的深度值。这种不精确性就会导致边缘出现锯齿状的外观。

为了克服采样伪影，我们可以在每个多边形上进行多次采样，然后对采样结果进行平均，从而获得更加准确的深度值。当然，这种方法会增加计算量，但它能够带来更令人满意的视觉效果。

探寻新的高度

现在，让我们了解一些更高级的技巧，以进一步提升阴影贴图的质量：

多级渐进式纹理（Mipmapping）

当物体距离光源较远时，阴影细节就会变得不那么明显，我们可以通过一种名为“多级渐进式纹理（Mipmapping）”的技术来应对这种情况。这种技术会生成多个不同分辨率的深度贴图，并在不同距离上使用不同的分辨率。这有助于减少不必要的计算，并提高渲染性能。

纹理过滤

当场景中的物体与光源距离较近时，深度值可能在单个像素中发生剧烈变化。为了解决这个问题，我们可以使用纹理过滤来平滑深度值之间的过渡。纹理过滤可以有效地减少阴影边缘的锯齿状外观。

纹理坐标生成

生成纹理坐标对于阴影映射至关重要。如果纹理坐标不正确，阴影贴图中的深度值就会与场景中的物体不匹配，从而导致不正确的阴影效果。

结言

阴影贴图是一项强大的技术，可以为场景带来逼真的阴影效果。掌握了本文介绍的知识，您将能够创建出令人叹为观止的阴影效果，并进一步提升渲染画面的真实感。