永远也不完美的程序

Cascaded shadow map（转）

        上篇里的最后最后，提及了几种比较有名的Shadow Map的延展技术，Cascaded Shadow Maps是其中比较近期才出现的，而且它引进了Cascade(级联，层)这个概念，与另一个颇为我们中国人骄傲的名词PSSM（Parallel- split Shadow Maps）中的Parallel-split指的是同一个概念。事实上两者的原理是基本一样的。

        它先在我们的视锥上动手脚，用几个与近远平面平行的截面把视锥分成几份(Parallel-split)；然后针对每一份，通过修改光源投影矩阵，使之后 生成的Shadow Map中只有该份“Splited视锥”里的物体；这样，在pass1阶段就生成了几张针对不同“Splited视锥”的Shadow Maps，在渲染阶段，依据像素深度就可以判断该位置应用哪张Shadow Map了。

        这样做的好处在上篇已经讲过了。在距离眼睛近的地方，应用的是分辨率高的阴影图，距离眼睛远的地方则是低分辨率。这样是符合视觉特点的，而且没有什么浪费的地方。

        如图，假设光从视锥正上方射下来（其他方向同理），按CSM的意思，应该把光源视觉下的投影面放在图示位置（四条短的水平的线）。这里我把视锥分割成四 份，因此需要对应的四张ShadowMap，与人看东西一样，视像面越靠近阴影（假设位于被投影面，图中长水平线），看到的阴影越清晰。反映在生成阴影图 阶段，表现为具体caster（被光源直接照射的投射物表面）在光源投影面上占据的范围大。假设阴影图尺寸是固定的（譬如1024*1024），在第一个 “Splited视锥”和第四个“Splited视锥”里的投射阴影的物体[投射物]大小也相同（其阴影在实际世界里占地面积必然也相同），则其阴影在阴 影图里占的像素数会有很大差别（譬如前者占500,000个，后者可能才占5000个），这就是分辨率的差异。最后把ShdowMap帖在场景里（假设在 世界空间下该种投射物的阴影应该占100,000个像素），前者就会比后者效果好很多。（一个是需要进行OverSampling，另一个就得进行 UnderSampling。）所以越靠近眼睛的、越小的Splited视锥里的阴影越高“画质”，反之则越粗糙（但比起传统Shadow Map技术也许效果还好一点）——而我们正希望要眼前的事物清晰，远处的事物模糊甚至不表现出影子也可以——CSM（或者说，PSSM）做到了。

        重新回头看看技术实现过程。这里有两个主要的技术点，一是“怎么分割视锥”，二是“怎么设置每个小视锥的光源投影矩阵”。

        1. Cascade（Split）的准则

        从上图和上分析可以看出，“Splited视锥”沿视线的长度(Zfar - Znear)应该越分越大比较合理，指数增长符合这个规律，但指数增长一般太夸张了，所以配合一个线性增长比较好。在PSSM里，这两种分法叫 logarithmic split scheme和the uniform split scheme，前者的表达式是经过科学的推导的，这部分也是CSM/PSSM最数学的部分，在GPU GEMS3里有详细的推导，或者你看PSSM推广人Fan Zhang [HKUST]那篇"Hardware-Accelerated Parallel-Split Shadow Maps." （IF YOU CAN FIND IT）也该有。它从Shadow-Map Aliasing（dp/ds，单位阴影图像素单位对应的屏幕像素）的推导开始，找出能满足使perspective aliasing（由投影缩减效应形成）在各个视锥里均匀分配的分割式。

        后者只是一个线性式，但它的调和作用避免了“Splited视锥”的过小与过大，通过一个mix因子混合两式子（我在应用中默认分配logarithmic split scheme的因子是0.75，余者0.25）：

        2. Crop  It !

        针对每个光源投影矩阵进行的调整，在CSM/PSSM里称为Crop（这么有诗情画意噶？）。这个过程其实很好理解的，我们在照相的时候，一开始要在 CCD液晶屏的画面上把焦点确定吧——Cascaded Shadow Maps技术中的光源就是照相者，光源的视像平面就是屏幕，我们是对每个“Splited视锥”都照一张相，因为照的是casters，所以可以说是照人 物相片——把casters所在的“Splited视锥”（对应人物背景）在光源投影空间的中心挪移到视像平面的中心，然后进行光学变焦，使人物背景尽量 充满屏幕，从而突出人物——casters，噢，不，应说是shadows。

        恩，这是个具有平移和缩放的线性变换——CROP MATRIX，合适地构造它，然后乘在光源投影矩阵前面（形成新的投影矩阵），就能完成匹配投影矩阵匹配“Splited视锥”的任务。假如目前处理第i 个分割视锥，生成CropMatrix[i]，那么对场景坐标系的变换就是：（CropMatrix[i] * LightProjectMatrix) * LightViewMatrix * ModelMatrix * pos。也可认为（CropMatrix[i] * LightProjectMatrix)是二次投影，因为Crop Matrix实质也是个投影矩阵，而且是个名副其实的Otho正交投影矩阵。

        CropMatrix简直就跟glOrtho生成的矩阵一模一样，功用也一样。只不过这里我没有对Z坐标进行变换，因为把它交给生成光源投影矩阵的 glOrtho了（反而它只变换Z坐标）。前面不是说把坐标都变换到光源投影CLip空间后再提取AABB吗，为什么就到光源视图空间就比较了？因为这里 是平行光的投影，所以用的是正交投影glOrtho，在glOrtho中没有对X，Y坐标进行变换（看看它的spec就知道了，-1与1为参数是不改变 X，Y数值的），所以两个空间下的X，Y坐标是一致的，而CropMatrix正是只变换X，Y坐标，所以实在没必要多此一举。

        但有两种情况是“需要多此一举”的。一是光源为点光源且需要透视投影；二是在光源与视锥之间还有其他caster。对第二种情况尤其值得注意。看回我在文 章最上面放的自画示意图，有个打了X的地方，那里假设有只bird，那么它会否对地面产生阴影呢？——按照CSM基础理论，不会！因为 CropMATRIX修改后的光源投影平面已经越过它了，已经看不见它了——我们只能看见视锥里（更准确说是视锥的AABB包围盒里）的物体所留下的阴 影！解决法是把该物件bondingbox在光源视图空间下的最大Z坐标作为上述算法最后的minFrustumCoord.z，使光源投影平面恰在该位 置而不再下降。这样做多了些麻烦，而且该“Splited视锥”对应的Shadow Map的分辨率会降低，物体离视锥越远，分辨率下降越严重。所以，如非必要投射那样的物体（或者部分穿出视锥之外的物体）的阴影，不必这样做：

        先计算普适意义下的光源投影矩阵和视图矩阵(类似传统SM那样)，用它们的积Light-ProjectView把各个小视锥变换到CLIP投影空间，用 同样方法得到该空间下的包围盒（特征向量maxFrustumCoord, minFrustumCoord），这里继续计算的Crop矩阵就需要用到Z值了，因为我们要修改其中的minFrustumCoord.z。让它等于 -1——OPENGL在CLIP投影空间的最小坐标值。没错，即使该物件在光源正体位置之上，也把它计算入要投影的物件集（casters）里（况且平行 光源本来该是无限远而不是在那个虚拟位置上的）。最后依然是：CropMatrix[i] *（ LightProjectMatrix * LightViewMatrix） * ModelMatrix * pos。

        3. Cast 阴影

        通过上面矩阵配合（0，1）映射矩阵之类的生成shadow maps后，这就来到第二PASS了，它与传统Shadow Map（Shadow Map阴影贴图技术之探Ⅰ）一样，只是根据像素深度决定用哪张而已。注意，把视锥分割的是近/远平面，其值是距视点的距离，定义于视图空间——把它变换到 眼睛的屏幕CLIP空间，就能在shader里“分割”像素深度，把像素都分到SplitNum个区域里（应用中我取了4个）。好了，接下来你知道怎么用 if-else来Cast 阴影图了吧。

        最后是放出演示DEMO了吧

        在该日志将展示DEMO并浅谈一下CSM一些小细节的地方，包括caster-receiver-splitedFrustum组合生成的SCREEN DEPENDENT的crop矩阵。最后是这段时间个人学习Shadow技法的小小总结。

posted on 2010-11-24 10:20 狂烂球 阅读(4857) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 图形编程