华中科技大学《计算机图形学》课程

MOOC地址：计算机图形学（HUST）

计算机图形学 | 实验十一：阴影计算

帧缓冲

创建一个帧缓冲

和OpenGL其他对象一样，我们使用glGenFramebuffers的函数来创建一个帧缓冲对象：

unsigned int fbo; 
glGenFramebuffers(1, &fbo);

在这里插入代码片

它的使用函数也和其它的对象类似。首先我们创建一个帧缓冲对象，将它绑定为激活的(Active)帧缓冲，做一些操作，之后解绑帧缓冲。我们使用glBindFramebuffer来绑定帧缓冲。

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo);

在完成上面的操作后，我们还是不能直接使用帧缓冲，因为一个完整的帧缓冲至少需要满足以下条件：

• 附加至少一个缓冲（颜色、深度或模板缓冲）。
• 至少有一个附件(Attachment)。
• 所有的附件都必须是完整的（保留了内存）。

由于我们的帧缓冲不是默认帧缓冲，渲染指令将不会对窗口的视觉输出有任何影响。出于这个原因，渲染到一个不同的帧缓冲被叫做离屏渲染(Off-screen Rendering)。要保证所有的渲染操作在主窗口中有视觉效果，我们需要再次激活默认帧缓冲，将它绑定到0：

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo);

当然，在完成所有的帧缓冲操作之后，不要忘记删除这个帧缓冲对象：

glDeleteFramebuffers(1, &fbo);

纹理附件

当把一个纹理附加到帧缓冲的时候，所有的渲染指令将会写入到这个纹理中，就想它是一个普通的颜色/深度或模板缓冲一样。使用纹理的优点是，所有渲染操作的结果将会被储存在一个纹理图像中，我们之后可以在着色器中很方便地使用它。

为帧缓冲创建一个纹理和创建一个普通的纹理步骤类似：

unsigned int texture; 
glGenTextures(1, &texture); 
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture); 
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 800, 600, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); 
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); 
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

创建好纹理后，接下来我们把它附加到帧缓冲上：

glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, texture, 0);

glFrameBufferTexture2D有以下的参数：

• target：帧缓冲的目标（绘制、读取或者两者皆有）
• attachment：我们想要附加的附件类型。当前我们正在附加一个颜色附件。注意最后的0意味着我们可以附加多个颜色附件。如ATTACHMENT1,2…
• textarget：你希望附加的纹理类型
• texture：要附加的纹理本身
• level：多级渐远纹理的级别。我们将它保留为0。

除了颜色附件之外，我们还可以附加一个深度和模板缓冲纹理到帧缓冲对象中。要附加深度缓冲的话，我们将附件类型设置为GL_DEPTH_ATTACHMENT。注意纹理的格式(Format)和内部格式(Internalformat)类型将变为GL_DEPTH_COMPONENT，来反映深度缓冲的储存格式。要附加模板缓冲的话，你要将第二个参数设置为GL_STENCIL_ATTACHMENT，并将纹理的格式设定为GL_STENCIL_INDEX。

渲染缓冲对象附件

渲染缓冲对象(Renderbuffer Object)是在纹理之后引入到OpenGL中，作为一个可用的帧缓冲附件类型的，所以在过去纹理是唯一可用的附件。和纹理图像一样，渲染缓冲对象是一个真正的缓冲，即一系列的字节、整数、像素等。渲染缓冲对象附加的好处是，它会将数据储存为OpenGL原生的渲染格式，它是为离屏渲染到帧缓冲优化过的。

创建一个渲染缓冲对象和帧缓冲类似：

unsigned int rbo;
glGenRenderbuffers(1, &rbo);

绑定操作：

glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, rbo);

由于渲染缓冲对象通常都是只写的，它们会经常用于深度和模板附件，因为大部分时间我们都不需要从深度和模板缓冲中读取值，只关心深度和模板测试。我们需要深度和模板值用于测试，但不需要对它们进行采样，所以渲染缓冲对象非常适合它们。当我们不需要从这些缓冲中采样的时候，通常都会选择渲染缓冲对象，因为它会更优化一点。

创建一个深度和模板渲染缓冲对象可以通过调用glRenderbufferStorage函数来完成：

glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH24_STENCIL8, 800, 600);

GL_DEPTH24_STENCIL8作为内部格式，它封装了24位的深度和8位的模板缓冲。

最后附加这个渲染缓冲对象：

glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER,GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, rbo);

总结

在了解帧缓冲原理后，我们将会将场景渲染到一个附加到帧缓冲对象上的颜色纹理中，之后将在一个横跨整个屏幕的四边形上绘制这个纹理。我们将在第二部分的阴影实验中用到，接下来简单介绍下这个步骤：

1. 创建并绑定一个帧缓冲；
2. 创建一个纹理图像并把它作为附件绑定到帧缓冲上；
3. 将纹理附件（或渲染对象附件）附加到帧缓冲上；
4. 检查帧缓冲是否完整（检测是否出现异常）；
5. 在帧缓冲上进行绘制；
6. 解绑 && 删除工作；

阴影映射

算法思想

阴影映射(Shadow Mapping)背后的思路非常简单：具体过程是我们从光源视角出发（以光源所在位置作为摄像机位置），绘制一条射线到达场景上各个片元，得到射线第一次击中的那个物体，然后用这个最近点和射线上其他点进行对比。然后我们将测试一下看看射线上的其他点是否比最近点更远，如果是的话，这个点就在阴影中。我们使用深度缓冲来实现阴影。

深度缓冲里的一个值是摄像机视角下，对应于一个片元的一个0到1之间的深度值。我们从光源的透视图来渲染场景，并把深度值的结果储存到纹理中。通过这种方式，我们就能对光源的透视图所见的最近的深度值进行采样。最终，深度值就会显示从光源的透视图下见到的第一个片元了。我们管储存在纹理中的所有这些深度值，叫做深度贴图（depth map）或阴影贴图。

深度贴图

第一步我们需要生成一张深度贴图(Depth Map)。深度贴图是从光的透视图里渲染的深度纹理，用它计算阴影。因为我们需要将场景的渲染结果储存到一个纹理中，因此需要用到帧缓冲。按照第一节的帧缓冲使用步骤来使用：

首先，我们要为渲染的深度贴图创建一个帧缓冲对象：

GLuint depthMapFBO;
glGenFramebuffers(1, &depthMapFBO);

创建一个2D纹理，提供给帧缓冲的深度缓冲使用：

const GLuint SHADOW_WIDTH = 1024, SHADOW_HEIGHT = 1024;
GLuint depthMap;
glGenTextures(1, &depthMap); 
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap); 
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT,SHADOW_WIDTH, SHADOW_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);

我们只关心深度值，我们要把纹理格式指定为GL_DEPTH_COMPONENT，1024是我们预先设置的深度贴图的解析度。

绑定帧缓冲，并将纹理附件附加到帧缓冲上：

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, depthMap, 0); 
glDrawBuffer(GL_NONE); 
glReadBuffer(GL_NONE); 
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

我们需要的只是在从光的透视图下渲染场景的时候深度信息，所以颜色缓冲没有用。然而帧缓冲对象不是完全不包含颜色缓冲的，所以我们需要显式告诉OpenGL我们不适用任何颜色数据进行渲染。调用glDrawBuffer和glReadBuffer把读和绘制缓冲设置为GL_NONE来做这件事。

接下来我们渲染深度贴图，主要分为两个步骤：

• 光源空间的变换
• 渲染至深度贴图

1. 光源空间的变换，这一部分的变换在着色器内完成
   本次实验我们使用的是一个所有光线都平行的定向光。出于这个原因，我们将为光源使用正交投影矩阵：

GLfloat near_plane = 1.0f, far_plane = 7.5f; 
glm::mat4 lightProjection = glm::ortho(-10.0f, 10.0f, -10.0f, 10.0f, near_plane, far_plane);

其次创建一个视图矩阵来变换每个物体，把它们变换到从光源视角可见的空间中，我们将使用glm::lookAt函数；这次从光源的位置看向场景中央：

glm::mat4 lightView = glm::lookAt(glm::vec(-2.0f, 4.0f, -1.0f), glm::vec3(0.0f), glm::vec3(1.0));

二者相结合为我们提供了一个光空间的变换矩阵，它将每个世界空间坐标变换到光源处所见到的那个空间：

glm::mat4 lightSpaceMatrix = lightProjection * lightView;

2. 进行一次渲染，形成深度贴图

// 渲染阴影深度贴图
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO); 
glViewport(0, 0, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT); 
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 
shadowMap_shader.Use(); 
shadowMap_shader.SetMat4("lightPV", lightPV); 
DrawScene(shadowMap_shader, current_frame); 
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

此时顶点着色器内容即为（1）中的空间变换，而片段着色器则什么也不做，如下所示：

void main()
{
	// gl_FragDepth = gl_FragCoord.z;
}

因为其内置变量gl_FragDepth会自动更新深度信息。

在光的透视图视角下，很完美地用每个可见片元的最近深度填充了深度缓冲。通过将这个纹理投射到一个2D四边形上，就能在屏幕上显示出来，显示结果如下：

渲染阴影

生成深度贴图以后我们就可以开始生成阴影了。这段代码在像素着色器中执行，用来检验一个片元是否在阴影之中，不过我们在顶点着色器中进行光空间的变换：

void main()
{
	//... 
	LightSpaceFragPos = lightPV * vec4(FragPos, 1.0f);
	gl_Position = projection * view * vec4(FragPos, 1.0f);
	//...
}

LightSpaceFragPos这个输出向量。我们用同一个lightSpaceMatrix，把世界空间顶点位置转换为光空间,将这个输出给片段着色器，进行深度的比较。

像素着色器使用Blinn-Phong光照模型渲染场景。我们接着计算出一个shadow值，当fragment在阴影中时是1.0，在阴影外是0.0。

计算阴影：

float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace) 
{
	vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz /fragPosLightSpace.w;
	projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
	// 光的位置视野下最近的深度
	float closestDepth = texture(depthMap, projCoords.xy).r;
	// 片元的当前深度
	float currentDepth = projCoords.z;
	// 阴影偏移，防止阴影失真
	float bias = 0.005;
	float shadow = currentDepth - bias > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
	return shadow;
}

上面即为片段着色器的相关代码，在计算阴影中我们要注意几个问题：

1. 顶点着色器输出一个裁切空间顶点位置到gl_Position时，OpenGL自动进行一个透视除法，将裁切空间坐标的范围-w到w转为-1到1，这要将x、y、z元素除以向量的w元素来实现。由于裁切空间的FragPosLightSpace并不会通过gl_Position传到像素着色器里，我们必须自己做透视除法。

vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;

来自深度贴图的深度在0到1的范围，我们也打算使用projCoords从深度贴图中去采样，所以我们将NDC坐标变换为0到1的范围：

projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;

在渲染阴影时，很容易出现阴影失真的问题，表现为交替黑线，形成原因如下：

阴影贴图受限于解析度，在距离光源比较远的情况下，多个片元可能从深度贴图的同一个值中去采样。图片每个斜坡代表深度贴图一个单独的纹理像素。你可以看到，多个片元从同一个深度值进行采样。

当光源以一个角度朝向表面的时候就会出问题，这种情况下深度贴图也是从一个角度下进行渲染的。多个片元就会从同一个斜坡的深度纹理像素中采样，有些在地板上面，有些在地板下面；这样我们所得到的阴影就有了差异。因为这个，有些片元被认为是在阴影之中，有些不在，由此产生该现象。

这时，我们用一个叫做阴影偏移（shadow bias）的技巧来解决这个问题，我们简单的对表面的深度（或深度贴图）应用一个偏移量，这样片元就不会被错误地认为在表面之下了：

float bias = 0.005;
float shadow = currentDepth - bias > closestDepth ? 1.0 : 0.0;

抗锯齿

如果你放大看阴影，在阴影映射边缘你可以看到很明显的锯齿：

因为深度贴图有一个固定的解析度，多个片元对应于一个纹理像素。结果就是多个片元会从深度贴图的同一个深度值进行采样，这几个片元便得到的是同一个阴影，这就会产生锯齿边；

可以通过增加解析度来降低锯齿。

另一个（并不完整的）解决方案叫做PCF（percentage-closer filtering），这是一种多个不同过滤方式的组合，它产生柔和阴影，使它们出现更少的锯齿块和硬边。核心思想是从深度贴图中多次采样，每一次采样的纹理坐标都稍有不同。每个独立的样本可能在也可能不再阴影中。所有的次生结果接着结合在一起，进行平均化，我们就得到了柔和阴影。

float shadow = 0.0; 
vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(shadowMap, 0); 
for(int x = -1; x <= 1; ++x)
{
	for(int y = -1; y <= 1; ++y)
	{
		float pcfDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy + vec2(x, y) * texelSize).r; 
		shadow += currentDepth - bias > pcfDepth ? 1.0 : 0.0;
	}
}
shadow /= 9.0;

PCF使用后效果如图：

assimp库

引擎开发五： Assimp库及使用

Assimp的安装编译及使用过程全纪录（VS2015）（适合菜鸟看的超详细记录）

error LNK2019: 无法解析的外部符号 _stbi_load，该符号在函数 _main 中被引用

结果