学习OpenGL ES之ShadowMap(一)

本系列所有文章目录

获取示例代码


本文将为大家介绍3D实时阴影技术ShadowMap,又称为阴影贴图技术。下面是效果图。



原理介绍

我们在了解ShadowMap这项技术之前,先来了解一下什么是阴影。在现实生活中,阴影伴随着光而生。下面这张图演示了在平行光下,影子是如何形成的。

图中的两个物体,在光照方向上,距离光源最近的那些点会被照亮,之后的点则不会接受到光照。所以判断一个点是否在阴影中的关键就是,它是否是光照方向上距离光源最近的点。

深度缓冲区

之前我们说过深度缓冲区,他可以用来判断像素是否需要被写入颜色缓冲区。它的原理如下。

  1. 初始化所有的深度缓冲区数据为1。
  2. 系统在每个像素写入颜色缓冲区之前都会比较它的深度值和当前深度缓冲区对应的深度值,如果小于当前深度缓冲区对应的深度值,就写入该像素,并将当前深度缓冲区对应的深度值改为该像素的深度值。否则,丢弃该像素。

所有的深度值在比较前都会被规范化成0~1,投影矩阵近平面上的深度为0,远平面上的深度为1。最终保留下来的都是深度最小的像素点。我们可以利用这个特性来记录光照方向上距离光源最近的点。

深度纹理

我们如果使用纹理来充当深度缓冲区,那么我们将得到深度纹理。深度纹理是我们找到光照方向上距离光源最近的点的好帮手。假设我们在光源出放置一个摄像机,观察方向和光源方向调整为一致。然后使用正交投影矩阵进行投影。接着使用这个摄像机渲染场景。那么深度纹理中就会记录一系列距离光源最近的像素点的深度值。

使用深度纹理

我们有了深度纹理,那么如何使用它呢?在使用它之前我们需要明白像素点的坐标和深度纹理UV的对应关系。当我们使用光源的VP矩阵和模型矩阵变换像素点的原始坐标之后,坐标值便落在了-1到1之间。我们把坐标加上1再乘以0.5,xy就可以当做UV使用。使用xy在深度纹理上取值,就可以得到这个像素点所对应的距离光源最近的点的深度值。将这个深度值与前面经过处理的像素坐标的z轴值比较,就可以判断该像素点是否在阴影中。

Fragment Shader

为了配合Shadow Map,Fragment Shader需要做以下改变。

  1. 添加深度纹理和光源处的VP矩阵。
uniform mat4 lightMatrix;
uniform sampler2D shadowMap;
  1. 获取深度纹理上对应的深度值并和当前深度值做判断,如果当前深度比距离光源最近的点深度大,则在阴影中,否则不在。经过处理的像素坐标的z轴可以作为当前深度值。它的范围在0到1之间。
float shadow = 0.0;
vec4 positionInLightSpace = lightMatrix * modelMatrix * vec4(fragPosition, 1.0);
positionInLightSpace /= positionInLightSpace.w;
positionInLightSpace = (positionInLightSpace + 1.0) * 0.5;
vec2 shadowUV = positionInLightSpace.xy;
if (shadowUV.x >= 0.0 && shadowUV.x <=1.0 && shadowUV.y >= 0.0 && shadowUV.y <=1.0) {
    vec4 shadowColor = texture2D(shadowMap, shadowUV);
    if (shadowColor.r < positionInLightSpace.z) {
        shadow = 0.1;
    } else {
        shadow = 1.0;
    }
}
  1. 为漫反射颜色加入阴影系数shadow的影响,shadow为1时,无影响,值越小,颜色越暗。
vec3 diffuse = diffuseStrength * light.color * texture2D(diffuseMap, fragUV).rgb * light.indensity * shadow;

生成深度纹理

想要生成光源处VP矩阵下的深度纹理,需要以下操作。

生成带有深度纹理的Framebuffer。
- (void)createShadowMap {
    self.shadowMapSize = CGSizeMake(1024, 1024);
    glGenFramebuffers(1, &shadowMapFramebuffer);
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, shadowMapFramebuffer);
    // 生成深度缓冲区的纹理对象并绑定到framebuffer上
    glGenTextures(1, &shadowDepthMap);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, shadowDepthMap);
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, self.shadowMapSize.width, self.shadowMapSize.height, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_UNSIGNED_INT, NULL);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT , GL_TEXTURE_2D, shadowDepthMap, 0);
    GLenum status = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER);
    if (status != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) {
        // framebuffer生成失败
    }
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
}

GL_DEPTH_COMPONENT深度格式的纹理贴图作为Framebuffer的深度缓冲区附件,所有渲染到深度缓冲区的数据都会被写入shadowDepthMap

使用光源的VP渲染场景到上面的Framebuffer。因为我们只需要深度数据,所以可以新建一个Fragment Shader来渲染场景。一个空的Fragment Shader就足够了,因为深度会默认写入深度缓冲区,不需要任何处理。
precision highp float;

void main(void) {
    
}

然后使用光源的VP渲染。lightProjectionMatrixlightCameraMatrix分别是光源的投影和观察矩阵。到此我们就得到了光源空间的深度纹理了。

- (void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect {
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, shadowMapFramebuffer);
    glViewport(0, 0, self.shadowMapSize.width, self.shadowMapSize.height);
    glClearColor(0.7, 0.7, 0.7, 1);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    [self drawObjectsForShadowMap];
    
    ...
}

- (void)drawObjectsForShadowMap {
    [self.objects enumerateObjectsUsingBlock:^(GLObject *obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
        [self.shadowMapContext active];
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"projectionMatrix" value:self.lightProjectionMatrix];
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"cameraMatrix" value:self.lightCameraMatrix];
        [obj draw:self.shadowMapContext];
    }];
}

绘制主场景

接下来我们来绘制场景到屏幕。

- (void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect {
    ...
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    [self drawObjectsForShadowMap];
    
    [(GLKView *)(self.view) bindDrawable];
    glClearColor(0.7, 0.7, 0.7, 1);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
    [self drawObjects];
}

[self drawObjects];中,我们将深度纹理传入Fragment Shader,而且还要传入光源的VP矩阵。

- (void)drawObjects {
    [self.objects enumerateObjectsUsingBlock:^(GLObject *obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
        [obj.context active];
        [obj.context setUniform1f:@"elapsedTime" value:(GLfloat)self.elapsedTime];
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"projectionMatrix" value:self.projectionMatrix];
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"cameraMatrix" value:self.cameraMatrix];
        [obj.context setUniform3fv:@"eyePosition" value:self.eyePosition];
        [obj.context setUniform3fv:@"light.direction" value:self.light.direction];
        [obj.context setUniform3fv:@"light.color" value:self.light.color];
        [obj.context setUniform1f:@"light.indensity" value:self.light.indensity];
        [obj.context setUniform1f:@"light.ambientIndensity" value:self.light.ambientIndensity];
        [obj.context setUniform3fv:@"material.diffuseColor" value:self.material.diffuseColor];
        [obj.context setUniform3fv:@"material.ambientColor" value:self.material.ambientColor];
        [obj.context setUniform3fv:@"material.specularColor" value:self.material.specularColor];
        [obj.context setUniform1f:@"material.smoothness" value:self.material.smoothness];
        
        [obj.context setUniform1i:@"useNormalMap" value:self.useNormalMap];
        
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"lightMatrix" value:GLKMatrix4Multiply(self.lightProjectionMatrix, self.lightCameraMatrix)];
        [obj.context bindTextureName:shadowDepthMap to:GL_TEXTURE2 uniformName:@"shadowMap"];
        
        [obj draw:obj.context];
    }];
}

到此,阴影贴图的主要原理和实现就介绍完了,但是此时如果你运行代码将会得到这样的场景。这是ShadowMap本身的实现技术带来的问题,我将会在下一篇文章中介绍修复的方案。


最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 151,511评论 1 330
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 64,495评论 1 273
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 101,595评论 0 225
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 42,558评论 0 190
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 50,715评论 3 270
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 39,672评论 1 192
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,112评论 2 291
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 29,837评论 0 181
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 33,417评论 0 228
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 29,928评论 2 232
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,316评论 1 242
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 27,773评论 2 234
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,253评论 3 220
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 25,827评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,440评论 0 180
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 34,523评论 2 249
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 34,583评论 2 249

推荐阅读更多精彩内容