Directx11教程三十三之Soft Shadows—PCF(Percent closer Filter)

这节教程介绍有关如何用PCF算法消除阴影(ShadowMap)的锯齿，也就是实现软阴影(Soft Shadows),这节程序的结构如下:



在看这节教程前你得先学会的技术：一，如何用D3D11实现模糊算法  D3D11教程二十六之Blur(模糊处理)

                                                                二，如何用D3D11和ShadowMap实现物体的阴影  D3D11教程三十一之ShadowMap(阴影贴图)

一，SoftShadow(柔软阴影)

在之前我分享一篇大牛写的有关"ShadowMap"介绍的技术博客  Shadow Maping。
我在  D3D11教程三十一之ShadowMap(阴影贴图) 结尾的时候说过，阴影锯齿的诞生是因为ShadowMap的一个像素对应于3D场景的一片区域或者说是ShadowMap的一个像素对应于3D场景的多个像素。

看上节的教程我把镜头拉近看，看到的阴影锯齿非常明显，如下图:



首先得说一下，阴影算法有三大类：1，基于ray tracing       2，基于shadow
volume   3，  基于shadowmap（Z buffer）
这里我们针对的是ShadowMap成阴影的，大概说一下基于shadowmap有几种算法能削弱阴影的锯齿

(1),Percentage-Closer Filtering(PCF)

(2) Perspective Shadow Maps(PSM)

(3)Light Space Perspective Shadow Maps(LSPSM)

(4)Parallel-Split Shadow Maps for Large-scale Virtual Environments

(5),Variance Shadow Maps.(VSM)

我们这个教程消除阴影锯齿的算法的主要是来源于PCF算法的，即“”百分比更近过滤“”。

说说算法的步骤：

第一步，想正常一样渲染整个场景得到ShadowMap
第二步，渲染阴影所在的地面，阴影的部分为黑色，非阴影部分为白色，这样就形成一张2D仅仅有黑色和白色的纹理图，如图所示：



第三，对第二步得到的那张黑白色的2D纹理进行模糊算法处理，模糊阴影的锯齿，得到如下面图：



第四，对底面进行正常的渲染，用模糊后的黑白色纹理图对地面进行阴影处理，这样地面阴影的锯齿就显得模糊了。

这里请注意的两点是 ：       
          一，这里用到RTT技术，有两个RTT类，一个是RenderModelToDepthTexure类，用于获取ShadowMap(深度图)，一个是RenderModelToBackTexure类用于获取黑白两色的2D纹理图以及进行模糊处理的2D纹理图。
          二 ， 通过Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT来创建的常量缓存在更新值时又很小的几率会遇上BUG，那个BUG就是你的值无法正确写入到Shader里，非常奇怪。所以更新缓存我还是推荐动态更新缓存，用Map和Unmap来更新，详情可看D3D11之缓存更新(update
buffer)       
  
        
下面放出代码:
 

绘制黑白色2D纹理的Shader:  DrawBlackWhiteShadowShader.fx

Texture2D ShadowMap:register(t0);  //阴影纹理
SamplerState ClampSampleType:register(s0);   //采样方式
//VertexShader
cbuffer CBMatrix:register(b0)
{
matrix World;
matrix View;
matrix Proj;
matrix WorldInvTranspose;
matrix ProjectorView;
matrix ProjectorProj;
};

cbuffer CBLight:register(b1)
{
float3 PointLightPos;
float pad; //填充系数
};

struct VertexIn
{
float3 Pos:POSITION;
float2 Tex:TEXCOORD0;  //多重纹理可以用其它数字
float3 Normal:NORMAL;
};

struct VertexOut
{
float4 Pos:SV_POSITION;
float4 ProjPos:POSITION; //基于点光源投影在齐次裁剪空间的坐标
float2 Tex:TEXCOORD0;
float3 W_Normal:NORMAL;  //世界空间的法线
float3 Pos_W:NORMAL1; //物体在世界空间的顶点坐标

};

VertexOut VS(VertexIn ina)
{
VertexOut outa;

//将坐标变换到观察相机下的齐次裁剪空间
outa.Pos = mul(float4(ina.Pos,1.0f), World);
outa.Pos = mul(outa.Pos, View);
outa.Pos = mul(outa.Pos, Proj);

//将顶点法向量由局部坐标变换到世界坐标
outa.W_Normal = mul(ina.Normal, (float3x3)WorldInvTranspose);  //此事世界逆转置矩阵的第四行本来就没啥用

//对世界空间的顶点法向量进行规格化
outa.W_Normal = normalize(outa.W_Normal);

//获取纹理坐标
outa.Tex= ina.Tex;

//将坐标变换到投影相机下的齐次裁剪空间
outa.ProjPos= mul(float4(ina.Pos, 1.0f), World);
outa.ProjPos = mul(outa.ProjPos, ProjectorView);
outa.ProjPos = mul(outa.ProjPos, ProjectorProj);

//获取物体在世界空间下的坐标
outa.Pos_W= (float3)mul(float4(ina.Pos, 1.0f), World);
return outa;
}

float4 PS(VertexOut outa) : SV_Target
{
float ShadowMapDepth; //r值存储的都是深度
float DiffuseFactor;
float2 ShadowTex;   //阴影纹理坐标
float4 color;
float bias;
float Depth;

//设置偏斜量
bias = 0.001f;

//第一,默认下为黑色
color = float4(0.0f,0.0f,0.0f,1.0f) ;

//第二,求出相应顶点坐标对应在ShdowMap上的深度值
//获取投影相机下的投影纹理空间的坐标值[0.0,1.0]  u=0.5*x+0.5;   v=-0.5*y+0.5;   -w<=x<=w  -w<=y<=w
ShadowTex.x = (outa.ProjPos.x / outa.ProjPos.w)*0.5f + 0.5f;
ShadowTex.y = (outa.ProjPos.y / outa.ProjPos.w)*(-0.5f) + 0.5f;

//第三,由于3D模型可能超出投影相机下的视截体，其投影纹理可能不在[0.0,1.0],所以得进行判定这个3D物体投影的部分是否在视截体内(没SV_POSITION签名 显卡不会进行裁剪)
if (saturate(ShadowTex.x) == ShadowTex.x&&saturate(ShadowTex.y) == ShadowTex.y)
{
//求出顶点纹理坐标对应的深度值
ShadowMapDepth = ShadowMap.Sample(ClampSampleType, ShadowTex).r;

//求出顶点坐标相应的深度值(点光源到渲染点的深度值)
Depth = outa.ProjPos.z / outa.ProjPos.w;

//阴影偏斜量
ShadowMapDepth = ShadowMapDepth + bias;

//如果不被遮挡,则物体具备漫反射光
if (ShadowMapDepth >= Depth)
{
//求出漫反射光的的方向
float3 DiffuseDir = outa.Pos_W - PointLightPos;

//求漫反射光的反光向
float3 InvseDiffuseDir = -DiffuseDir;

//求出漫反射因子[0.0,1.0]
DiffuseFactor = saturate(dot(InvseDiffuseDir, outa.W_Normal));

//如果漫反射因子大于0，则为白色
if (DiffuseFactor>0)
{
color = float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
}
}
}

return color;
}

绘制地面阴影的Shader:   SoftShadowShader.fx

Texture2D BaseTexture:register(t0);  //基础纹理
Texture2D BlackWhiteShadowMap:register(t1);  //投影纹理
SamplerState WrapSampleType:register(s0);   //采样方式
SamplerState ClampSampleType:register(s1);   //采样方式
//VertexShader
cbuffer CBMatrix:register(b0)
{
matrix World;
matrix View;
matrix Proj;
matrix WorldInvTranspose;
};

cbuffer CBLight:register(b1)
{
float4 DiffuseColor;
float4 AmbientColor;
float3 PointLightPos;
float pad; //填充系数
}

struct VertexIn
{
float3 Pos:POSITION;
float2 Tex:TEXCOORD0;  //多重纹理可以用其它数字
float3 Normal:NORMAL;
};

struct VertexOut
{
float4 Pos:SV_POSITION;
float4 ProjPos:POSITION; //基于观察相机的投影在齐次裁剪空间的坐标
float2 Tex:TEXCOORD0;
float3 W_Normal:NORMAL;  //世界空间的法线
float3 Pos_W:NORMAL1; //物体在世界空间的顶点坐标

};

VertexOut VS(VertexIn ina)
{
VertexOut outa;

//将坐标变换到观察相机下的齐次裁剪空间
outa.Pos = mul(float4(ina.Pos,1.0f), World);
outa.Pos = mul(outa.Pos, View);
outa.Pos = mul(outa.Pos, Proj);

//将顶点法向量由局部坐标变换到世界坐标
outa.W_Normal = mul(ina.Normal, (float3x3)WorldInvTranspose);  //此事世界逆转置矩阵的第四行本来就没啥用

//对世界空间的顶点法向量进行规格化
outa.W_Normal = normalize(outa.W_Normal);

//获取纹理坐标
outa.Tex= ina.Tex;

//将坐标变换到投影相机下的齐次裁剪空间
outa.ProjPos= mul(float4(ina.Pos, 1.0f), World);
outa.ProjPos = mul(outa.ProjPos, View);
outa.ProjPos = mul(outa.ProjPos, Proj);

//获取物体在世界空间下的坐标
outa.Pos_W= (float3)mul(float4(ina.Pos, 1.0f), World);
return outa;
}

float4 PS(VertexOut outa) : SV_Target
{
float4 TexColor; //采集基础纹理颜色
float4 ShadowColor;//阴影贴图采集的颜色
float DiffuseFactor;
float4 DiffuseLight;
float2 ShadowTex;   //阴影纹理坐标
float4 color = {0.0f,0.0f,0.0f,0.0f}; //最终输出的颜色

//获取基础纹理的采样颜色
TexColor = BaseTexture.Sample(WrapSampleType, outa.Tex);

//求出漫反射光的的方向
float3 DiffuseDir = outa.Pos_W - PointLightPos;

//求出点光源到像素的距离
float distance = length(DiffuseDir);

//求出衰减因子
float atten1 = 0.5f;
float atten2 = 0.1f;
float atten3 = 0.0f;
float LightIntensity = 1.0f / (atten1 + atten2*distance + atten3*distance*distance);

//求漫反射光的反光向
float3 InvseDiffuseDir = -DiffuseDir;

//求出漫反射因子[0.0,1.0]
DiffuseFactor = saturate(dot(InvseDiffuseDir, outa.W_Normal));

//求出漫射光
DiffuseLight = DiffuseFactor*DiffuseColor*LightIntensity;

//颜色加上漫反射光
color += DiffuseLight;
color = saturate(color);

//第三,求出相应顶点坐标对应在ShdowMap上的深度值
//获取投影相机下的投影纹理空间的坐标值[0.0,1.0]  u=0.5*x+0.5;   v=-0.5*y+0.5;   -w<=x<=w  -w<=y<=w
ShadowTex.x = (outa.ProjPos.x / outa.ProjPos.w)*0.5f + 0.5f;
ShadowTex.y = (outa.ProjPos.y / outa.ProjPos.w)*(-0.5f) + 0.5f;

//第四，求出黑白ShadowMap采集的颜色
ShadowColor= BlackWhiteShadowMap.Sample(ClampSampleType, ShadowTex);

//用黑白ShadowMap的颜色调节像素
color = color*ShadowColor;

//不管有没有遮挡，都应该具备环境光,注意环境光不生成阴影,这里仅仅是漫反射光生成阴影
color += AmbientColor;

//用基础纹理颜色进行调节
color = color*TexColor;

return color;
}

最后放出程序运行图：



阴影锯齿果然模糊了很多，以后有时间我回来实现以下其它的SoftShadow算法。

源代码链接如下:
http://download.csdn.net/detail/qq_29523119/9673916

另外一种方法实现(不借用黑白纹理)的PCF的源码链接:
http://download.csdn.net/detail/qq_29523119/9864010