一起学习Shadow mapping

1、什么是Shadow Maping?
Shadow Mapping是由Lance Williams于1978年在一篇名为"Casting curved shadows on curved surfaces"的文章中提出的，这篇文章是ShadowMap技术之根源。其实原理很简单，如果光源和目标点之间的连线没有任何物体阻挡的话，则目标点没有在阴影中;如果有物体遮挡，则目标点处在阴影中。而ShadowMap，就是一张记录了每个象素处用于比较遮挡关系信息的Texture.
产生这个ShadowTexture的方法很简单，以SpotLight为例，把3D Camera放到光源的位置，把DepthTest打开，渲染场景，在PixShader中把每个象素的深度信息或者光源和此象素的距离信息写到RenderTarget上,由于DepthTest是打开的，保证了最终写到RenderTarget上的均是物体上未处在阴影中的点的深度值，实质完全可以等效为最终的DepthBuffer。
得到这个ShowMap之后，如何最终生成阴影呢？在PixShader对每个pixel进行处理时，算出当前象素与灯当的距离Dc，与存在ShdowMap中的引像素的值Dz进行比较，如果Dc > Dz,则在阴影中，反之则被灯光照亮。
2、Shadowmap之HLSL的实现
在Direct SDk中有ShadowMap的Sample，下面的Shader和Sample里面空全一样，只是加了一些注释便于理解。
(1)生成ShadowMap的VS和PS

//-----------------------------------------------------------------------------
// Vertex Shader: VertShadow
void VertShadow( float4 Pos : POSITION,
float3 Normal : NORMAL,
out float4 oPos : POSITION,
out float2 Depth : TEXCOORD0 )
{
//从模型坐标系变换到观察坐标系
oPos = mul( Pos, g_mWorldView );
//进行投影变换
oPos = mul( oPos, g_mProj );
//把投影坐标系的ZW值赋给Depth，作为PixelShader中的输出，这里的Z还是齐次坐标，这里不直接输出Z/W，我的理解是让Z和W都在Rasterizer中进行线性插
//值，这样可以增加最终生成的ShadowMap的精度。
Depth.xy = oPos.zw;
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// Pixel Shader: PixShadow
void PixShadow( float2 Depth : TEXCOORD0,
out float4 Color : COLOR )
{
// 把 z / w的值作为Color值输出，写到RenderTarget上，此时的RT formate是D3DFMT_R32F
//把Z/W目的是把齐次坐标Z变换到三维空间的非齐次坐标，范围则是[-1,1]
Color = Depth.x / Depth.y;
}

(2)用ShadowMap生成Shadow

//-----------------------------------------------------------------------------
// Vertex Shader: VertScene
// Desc: Process vertex for scene
//-----------------------------------------------------------------------------
void VertScene( float4 iPos : POSITION,
float3 iNormal : NORMAL,
float2 iTex : TEXCOORD0,
out float4 oPos : POSITION,
out float2 Tex : TEXCOORD0,
out float4 vPos : TEXCOORD1,
out float3 vNormal : TEXCOORD2,
out float4 vPosLight : TEXCOORD3 )
{
vPos = mul( iPos, g_mWorldView );
oPos = mul( vPos, g_mProj );
vNormal = mul( iNormal, (float3x3)g_mWorldView );
Tex = iTex;
//把当前顶点位置变换到以光源为Camera的投影空间，
vPosLight = mul( vPos, g_mViewToLightProj );
}

//-----------------------------------------------------------------------------
// Pixel Shader: PixScene
// Desc: Process pixel (do per-pixel lighting) for enabled scene
//-----------------------------------------------------------------------------
float4 PixScene( float2 Tex : TEXCOORD0,
float4 vPos : TEXCOORD1,
float3 vNormal : TEXCOORD2,
float4 vPosLight : TEXCOORD3 ) : COLOR
{
float4 Diffuse;

// 计算光源到当前象素方向向量并单位化
float3 vLight = normalize( float3( vPos - g_vLightPos ) );

// dot( vLight, g_vLightDir )为光源到当前象素方向向量和光的方向向量之间的夹角余旋值，由于是spotlight，因此必须要在spotlight可照射的范围内。因为角
//度越小余旋值越大，因此这里是大于
if( dot( vLight, g_vLightDir ) > g_fCosTheta )
{
// Pixel is in lit area. Find out if it's
// in shadow using 2x2 percentage closest filtering

//从投影空间坐标转化为纹理空间坐标，也就是找到投影空间中的点和纹理空间中的点的对应关系
//除以w,xy坐标便处在(-1,1)的范围内，乘0.5加0.5，则变换到了(0,1)的范围，因texture space的u,v坐标是(0,1)的
float2 ShadowTexC = 0.5 * vPosLight.xy / vPosLight.w + float2( 0.5, 0.5 );
//在投影坐标系中，Y轴是向上的，而在纹理空间中Y轴向下，因此要作以下处理
ShadowTexC.y = 1.0f - ShadowTexC.y;

// 在texel space中对应的象素坐标
float2 texelpos = SMAP_SIZE * ShadowTexC;

// 取得小数部分
float2 lerps = frac( texelpos );

//这里使用的是2x2 percentage closest filtering,因此是采的邻近的四个点，判断它们是否在阴影中，
float sourcevals[4];
sourcevals[0] = (tex2D( g_samShadow, ShadowTexC ) + SHADOW_EPSILON < vPosLight.z / vPosLight.w)? 0.0f: 1.0f;
sourcevals[1] = (tex2D( g_samShadow, ShadowTexC + float2(1.0/SMAP_SIZE, 0) ) + SHADOW_EPSILON < vPosLight.z / vPosLight.w)? 0.0f: 1.0f;
sourcevals[2] = (tex2D( g_samShadow, ShadowTexC + float2(0, 1.0/SMAP_SIZE) ) + SHADOW_EPSILON < vPosLight.z / vPosLight.w)? 0.0f: 1.0f;
sourcevals[3] = (tex2D( g_samShadow, ShadowTexC + float2(1.0/SMAP_SIZE, 1.0/SMAP_SIZE) ) + SHADOW_EPSILON < vPosLight.z / vPosLight.w)? 0.0f: 1.0f;

// 用lerps
float LightAmount = lerp( lerp( sourcevals[0], sourcevals[1], lerps.x ),
lerp( sourcevals[2], sourcevals[3], lerps.x ),
lerps.y );
// 计算光照，如果完全在阴影中，则LightAmount为0，这里只计算了Diffuse color，没有高光
Diffuse = ( saturate( dot( -vLight, normalize( vNormal ) ) ) * LightAmount * ( 1 - g_vLightAmbient ) + g_vLightAmbient )
* g_vMaterial;
} else
{
Diffuse = g_vLightAmbient * g_vMaterial;
}

return tex2D( g_samScene, Tex ) * Diffuse;
}

3、ShdowMap的优缺点
优点：简单，不需要知道场景中Object的Geometry,不需要Stencil Buffer，每个灯光只需多渲染一个Pass。
缺点：当ShadowMap分辨率不够高时，或灯光与物体隔得很近时，在边缘处会产生Aliasing，锯齿，因此，很多改进shadowMap的算法都围绕着如何消除锯齿作文章。
4、ShadowMap的改进
关于ShadowMap的改进，又出了很多的paper和技术，比如：Percentage Shadow map, 使用bloom filter对ShadowMap进行模糊处理.以及siggraph 2002 中Marc Stamminger和 George Drettakis提出的Perspective Shadow map.以及Adaptive Shadow Map等等。