原文:Introduction to 3D Game Programming with DirectX 12 学习笔记之 --- 第二十章：阴影贴图
本章介绍一种在游戏和应用中，模拟动态阴影的基本阴影贴图算法；还有一些更复杂和效果更好的阴影算法，比如cascading shadow maps[Engel06]，都是基于基本阴影算法扩展出来的。
学习目标
- 熟悉基本阴影贴图算法；
- 学习投射纹理如何工作；
- 找到正交投射；
- 理解阴影贴图锯齿问题和一些常用的修复它们的策略。
1 渲染场景深度
阴影贴图算法依赖于从灯光的视角渲染场景的深度（渲染到纹理）。渲染完深度后，我们知道了距离灯光最近的像素片段（这些像素片段不会在阴影中）。我们实现一个ShadowMap类来帮助我们保存灯光透视视角的场景深度。它简单的封装了一个深度/模板缓冲，需要的views，和viewport。
class ShadowMap
{
public:
ShadowMap(ID3D12Device* device, UINT width, UINT height);
ShadowMap(const ShadowMap& rhs)=delete;
ShadowMap& operator=(const ShadowMap& rhs)=delete;
˜ShadowMap()=default;
UINT Width()const;
UINT Height()const;
ID3D12Resource* Resource();
CD3DX12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE Srv()const;
CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE Dsv()const;
D3D12_VIEWPORT Viewport()const;
D3D12_RECT ScissorRect()const;
void BuildDescriptors(
CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE hCpuSrv,
CD3DX12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE hGpuSrv,
CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE hCpuDsv);
void OnResize(UINT newWidth, UINT newHeight);
private:
void BuildDescriptors();
void BuildResource();
private:
ID3D12Device* md3dDevice = nullptr;
D3D12_VIEWPORT mViewport;
D3D12_RECT mScissorRect;
UINT mWidth = 0;
UINT mHeight = 0;
DXGI_FORMAT mFormat = DXGI_FORMAT_R24G8_TYPELESS;
CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE mhCpuSrv;
CD3DX12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE mhGpuSrv;
CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE mhCpuDsv;
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Resource> mShadowMap = nullptr;
};
构造函数通过分辨率和viewport来创建纹理。分辨率影响了阴影的效果，高分辨率会需要更多性能开销和内存。
ShadowMap::ShadowMap(ID3D12Device* device, UINT width, UINT height)
{
md3dDevice = device;
mWidth = width;
mHeight = height;
mViewport = { 0.0f, 0.0f, (float)width, (float)height, 0.0f, 1.0f };
mScissorRect = { 0, 0, (int)width, (int)height };
BuildResource();
}
void ShadowMap::BuildResource()
{
D3D12_RESOURCE_DESC texDesc;
ZeroMemory(&texDesc, sizeof(D3D12_RESOURCE_DESC));
texDesc.Dimension = D3D12_RESOURCE_DIMENSION_TEXTURE2D;
texDesc.Alignment = 0;
texDesc.Width = mWidth;
texDesc.Height = mHeight;
texDesc.DepthOrArraySize = 1;
texDesc.MipLevels = 1;
texDesc.Format = mFormat;
texDesc.SampleDesc.Count = 1;
texDesc.SampleDesc.Quality = 0;
texDesc.Layout = D3D12_TEXTURE_LAYOUT_UNKNOWN;
texDesc.Flags = D3D12_RESOURCE_FLAG_ALLOW_DEPTH_STENCIL;
D3D12_CLEAR_VALUE optClear;
optClear.Format = DXGI_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT;
optClear.DepthStencil.Depth = 1.0f;
optClear.DepthStencil.Stencil = 0;
ThrowIfFailed(md3dDevice->CreateCommittedResource(
&CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_DEFAULT),
D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
&texDesc,
D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
&optClear,
IID_PPV_ARGS(&mShadowMap)));
}
从上面可以看出，我们的阴影贴图算法需要两个渲染调用：第一个调用用来从灯光视角渲染场景深度；第二个调用正常渲染场景，但是要使用阴影贴图实现阴影算法。我们提供了下面的方法来访问着色器资源：
ID3D12Resource* ShadowMap::Resource()
{
return mShadowMap.Get();
}
CD3DX12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE ShadowMap::Srv()const
{
return mhGpuSrv;
}
CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE ShadowMap::Dsv()const
{
return mhCpuDsv;
}
2 正交投影
正交投影主要用以3D科学和工程应用。
在正交投影中，线都是平行于Z轴。
正交投影矩阵为（推导过程这里省略，可以查看原书）：
相比于透视投影就是w值不同。
3 投影纹理坐标
之所以叫投影纹理，是因为它可以让我们投影一个纹理到任意几何体上，比较像一个滑动的投影机，比如下图：
它可以是阴影纹理的一个中间步骤。投影纹理主要是对每一个像素创建一个纹理坐标，从下图中可以看出，纹理坐标(u, v)定义了要被投影到的3D点P。创建纹理坐标的策略是：
1、映射点P到灯光的投影窗口并且转换到NDC坐标系；
2、将投影坐标从NDC坐标系转换到纹理坐标系，然后有效的准换它们到纹理坐标。
第一步可以将灯光认为是一个摄像机，然后定义它的视图矩阵V和投影矩阵P；
第二步可以通过下面的变换从NDC转换到纹理坐标：
它的变换矩阵：
我们称上面的矩阵T（纹理矩阵），也可以直接乘以VPT从世界空间转换到纹理空间。变换过后我们还是要做透视分割来完成变换（查看第五章练习8）。
3.1 实现代码
创建透视纹理坐标代码如下：
struct VertexOut
{
float4 PosH : SV_POSITION;
float3 PosW : POSITION;
float3 TangentW : TANGENT;
float3 NormalW : NORMAL;
float2 Tex : TEXCOORD0;
float4 ProjTex : TEXCOORD1;
};
VertexOut VS(VertexIn vin)
{
VertexOut vout;
[…]
// Transform to light’s projective space.
vout.ProjTex = mul(float4(vIn.posL, 1.0f), gLightWorldViewProjTexture);
[…]
return vout;
}
float4 PS(VertexOut pin) : SV_Target
{
// Complete projection by doing division by w.
pin.ProjTex.xyz /= pin.ProjTex.w;
// Depth in NDC space.
float depth = pin.ProjTex.z;
// Sample the texture using the projective texcoords.
float4 c = gTextureMap.Sample(sampler, pin.ProjTex.xy);
[…]
}
3.2 截头锥体之外的点
在渲染流水线中，在截头锥体以外的几何体会被裁切。但是，当我们从灯光视角创建投影纹理坐标的时候，还没有执行裁切–我们只简单的投影了顶点。所以在截头锥体以外的投影纹理坐标范围都在[0, 1]以外。对于超出[0, 1]范围的，都是用与地址模式（9.6）。一般情况下都是使用0。
3.3 正交投影
所有可以用以透视投影的也可以使用正交投影，除了下面2点：1、聚光灯照射的点在投影体以外就无法工作，因为聚光灯照射的体积不是一个盒子，但是依然可以对投影体以外的点使用地址模式；
2、对于正交投影，我们不再需要除以w，就是不需要下面这行：
// Complete projection by doing division by w.
pin.ProjTex.xyz /= pin.ProjTex.w;
4 阴影贴图
4.1 算法描述
阴影贴图的思路是，通过渲染到纹理的方式，将场景的深度从灯光视角渲染到深度缓冲，叫做阴影贴图。那些无法被灯光照射的点不会出现的阴影贴图中。
为了完成渲染，我们需要定义灯光的视角矩阵和投影矩阵。透视投影可以模拟聚光灯，正交投影可以模拟平行光。正交投影的盒子体积可能只能照射到场景的一部分，我们可以增加它的参数用以照射整个场景。
创建好阴影贴图后，我们通过摄像机正常渲染场景。在摄像机视角下，也计算每个点到光源的距离d§，然后从阴影贴图 以灯光照射到该点的纹理坐标 中采样保存的距离s§，这个值是在该直线上，距离灯光最近的点的深度。所以如果d§ > s§，那么该点在阴影中，否则不在阴影中。
深度值的比较是在NDC空间下的，因为阴影贴图是在NDC空间下保存的，如果要想看实现的细节，可以查看工程代码
4.2 偏移（biasing）和走样（aliasing）
因为阴影贴图的分辨率是有限的，所以它保存的深度值是离散的。这个就导致了走样的问题，我们称之为阴影痤疮（shadow acne）。
下图展示了阴影痤疮产生的原因。和一个简单的解决方式，对阴影贴图进行一点常量偏移：
如果偏移过多会导致下面的问题，阴影和物体会出现分离：
不幸的是，这个方案不是对所有物体都有效，比如下图中的物体，需要较大的偏差：
我们需要的是测量出几何体相对于灯光的坡度，然后根据坡度应用偏移。幸运的是图形硬件已经支持了这种偏移，叫坡度缩放偏差（slope-scaled-bias）光栅化状态属性：
typedef struct D3D12_RASTERIZER_DESC {
[…]
INT DepthBias;
FLOAT DepthBiasClamp;
FLOAT SlopeScaledDepthBias;
[…]
} D3D12_RASTERIZER_DESC;
1、DepthBias：固定的偏移；
2、DepthBiasClamp：最大支持的偏移；
3、SlopeScaledDepthBias：基于几何体坡度的偏移缩放因子。
我们在渲染阴影纹理的时候应用slope-scaled-bias。这是因为，我们希望偏移基于光源方面几何体的坡度。在我们Demo中，使用下面的值：
// [From MSDN]
// If the depth buffer currently bound to the output-merger stage
// has a UNORM format or no depth buffer is bound the bias value
// is calculated like this:
//
// Bias = (float)DepthBias * r + SlopeScaledDepthBias * MaxDepthSlope;
//
// where r is the minimum representable value > 0 in the
// depth-buffer format converted to float32.
// [/End MSDN]
//
// For a 24-bit depth buffer, r = 1 / 2^24.
//
// Example: DepthBias = 100000 ==> Actual DepthBias = 100000/2^24 = .006
// These values are highly scene dependent, and you will need
// to experiment with these values for your scene to find the
// best values.
D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC smapPsoDesc = opaquePsoDesc;
smapPsoDesc.RasterizerState.DepthBias = 100000;
smapPsoDesc.RasterizerState.DepthBiasClamp = 0.0f;
smapPsoDesc.RasterizerState.SlopeScaledDepthBias = 1.0f;
深度偏移发生在光栅化之后（裁切以后），所以不影响几何体裁切。
对于深度偏移的具体细节，可以SDK中搜索“Depth Bias”，可以查看每个规则是如何应用的。
4.3 PCF滤波器
使用透视纹理坐标(u, v)对阴影贴图采样通常情况下并不能采样到某个像素，而是4个像素之间。对于颜色纹理，我们通常使用双重线性差值的方法（9.5.1）。但是[Kilgard01]指出我们不能对深度值求平均，它会导致对像素判定是否在阴影中时出现错误（相同的原因，我们也不能对阴影贴图做mipmap）。相比于对深度值差值，我们使用对结果差值—这个方法叫percentage closer filtering (PCF)。我们使用点滤波器（MIN_MAG_MIP_POINT），然后对坐标(u, v), (u + Δx, v), (u, v + Δx), (u + Δx, v + Δx)进行采样，其中Δx = 1/SHADOW_MAP_SIZE；采样后会有4个像素被命中s0, s1, s2, 和s3包围(u, v)，如下图，然后我们对4个点都进行阴影贴图测试，然后对结果进行双线性差值。
实现代码如下：
static const float SMAP_SIZE = 2048.0f;
static const float SMAP_DX = 1.0f / SMAP_SIZE;
…
// Sample shadow map to get nearest depth to light.
float s0 = gShadowMap.Sample(gShadowSam, projTexC.xy).r;
float s1 = gShadowMap.Sample(gShadowSam, projTexC.xy + float2(SMAP_DX, 0)).r;
float s2 = gShadowMap.Sample(gShadowSam, projTexC.xy + float2(0, SMAP_DX)).r;
float s3 = gShadowMap.Sample(gShadowSam, projTexC.xy + float2(SMAP_DX, SMAP_DX)).r;
// Is the pixel depth <= shadow map value?
float result0 = depth <= s0;
float result1 = depth <= s1;
float result2 = depth <= s2;
float result3 = depth <= s3;
// Transform to texel space.
float2 texelPos = SMAP_SIZE*projTexC.xy;
// Determine the interpolation amounts.
float2 t = frac( texelPos );
// Interpolate results.
return lerp( lerp(result0, result1, t.x), lerp(result2, result3, t.x), t.y);
这样一个像素可以一般在阴影中，这样也产生了过渡效果：
即使增加了滤波器，阴影效果依然很硬，并且由明显的走样。有很多更高级的方案可以使用，可以参考[Uralsky05]，比如我们使用更高分辨率的阴影贴图，但是会有更高的开销。
PCF的缺点在于它需要4次采样，在现代显卡上，采样操作是很费性能的操作之一，因为GPU的内存带宽和延时并没有像它计算能力那样得到提高[Möller08]。幸运的是，DX11图形硬件内置了支持PCF的方法SampleCmpLevelZero：
SampleCmpLevelZero method:
Texture2D gShadowMap : register(t1);
SamplerComparisonState gsamShadow : register(s6);
// Complete projection by doing division by w.
shadowPosH.xyz /= shadowPosH.w;
// Depth in NDC space.
float depth = shadowPosH.z;
// Automatically does a 4-tap PCF.
gShadowMap.SampleCmpLevelZero(gsamShadow, shadowPosH.xy, depth).r;
LevelZero代表它只看*别的mipmap，对于阴影贴图就比较有用。这个函数并不使用特定的采样对象，而是对比采样器（comparison sampler）。它可以让硬件在采样的过程中对阴影贴图进行对比测试（对结果添加滤波器）。对于PCF，你需要使用D3D12_FILTER_COMPARISON_MIN_MAG_LINEAR_MIP_POINT和设置对比函数为LESS_EQUAL（LESS也可以应用于偏移深度值）。它的第三个参数是要对比的值，对比函数LESS_EQUAL会让我们进行下面的对比：
float result0 = depth <= s0;
float result1 = depth <= s1;
float result2 = depth <= s2;
float result3 = depth <= s3;
然后硬件对结果进行双线性插值结束PCF。
下面代码展示了描述这个采样器：
const CD3DX12_STATIC_SAMPLER_DESC shadow(
6, // shaderRegister
D3D12_FILTER_COMPARISON_MIN_MAG_LINEAR_MIP_POINT, // filter
D3D12_TEXTURE_ADDRESS_MODE_BORDER, // addressU
D3D12_TEXTURE_ADDRESS_MODE_BORDER, // addressV
D3D12_TEXTURE_ADDRESS_MODE_BORDER, // addressW
0.0f, // mipLODBias
16, // maxAnisotropy
D3D12_COMPARISON_FUNC_LESS_EQUAL,
D3D12_STATIC_BORDER_COLOR_OPAQUE_BLACK);
SDK文档中只有下面的格式R32_FLOAT_X8X24_TYPELESS, R32_FLOAT, R24_UNORM_X8_TYPELESS, R16_UNORM，支持比较滤波器。（comparison filters）
目前为止，我们使用4次测试的PCF内核，更大的内核会得到更平滑的边缘，但是会更消耗性能。观察上面的例子，其实只需要在边缘进行PCF，内部是不需要的，根据这个需求，衍生出了其他算法。[Isidoro06b]描述了一种方案，在着色器代码中需要动态分支：只有在边缘进行PCF。这种检测边缘又会带来其他性能开销，所以选择方案的时候要做好利弊分析。
最后，PCF内核可以不做盒子滤波。许多艺术家会随机选取做PCF的点。
4.4 创建阴影贴图
首先要创建阴影贴图，我们创建ShadowMap实例：
mShadowMap = std::make_unique<ShadowMap>(md3dDevice.Get(), 2048, 2048);
然后定义灯光视角矩阵和投影矩阵：
DirectX::BoundingSphere mSceneBounds;
ShadowMapApp::ShadowMapApp(HINSTANCE hInstance) : D3DApp(hInstance)
{
// Estimate the scene bounding sphere manually since we know how the
// scene was constructed.
// The grid is the "widest object" with a width of 20 and depth of
// 30.0f, and centered at
// the world space origin. In general, you need to loop over every
// world space vertex
// position and compute the bounding sphere.
mSceneBounds.Center = XMFLOAT3(0.0f, 0.0f, 0.0f);
mSceneBounds.Radius = sqrtf(10.0f*10.0f + 15.0f*15.0f);
}
void ShadowMapApp::Update(const GameTimer& gt)
{
[…]
//
// Animate the lights (and hence shadows).
//
mLightRotationAngle += 0.1f*gt.DeltaTime();
XMMATRIX R = XMMatrixRotationY(mLightRotationAngle);
for(int i = 0; i < 3; ++i)
{
XMVECTOR lightDir = XMLoadFloat3(&mBaseLightDirections[i]);
lightDir = XMVector3TransformNormal(lightDir, R);
XMStoreFloat3(&mRotatedLightDirections[i], lightDir);
}
AnimateMaterials(gt);
UpdateObjectCBs(gt);
UpdateMaterialBuffer(gt);
UpdateShadowTransform(gt);
UpdateMainPassCB(gt);
UpdateShadowPassCB(gt);
}
void ShadowMapApp::UpdateShadowTransform(const GameTimer& gt)
{
// Only the first "main" light casts a shadow.
XMVECTOR lightDir = XMLoadFloat3(&mRotatedLightDirections[0]);
XMVECTOR lightPos = -2.0f*mSceneBounds.Radius*lightDir;
XMVECTOR targetPos = XMLoadFloat3(&mSceneBounds.Center);
XMVECTOR lightUp = XMVectorSet(0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);
XMMATRIX lightView = XMMatrixLookAtLH(lightPos, targetPos, lightUp);
XMStoreFloat3(&mLightPosW, lightPos);
// Transform bounding sphere to light space.
XMFLOAT3 sphereCenterLS;
XMStoreFloat3(&sphereCenterLS, XMVector3TransformCoord(targetPos, lightView));
// Ortho frustum in light space encloses scene.
float l = sphereCenterLS.x - mSceneBounds.Radius;
float b = sphereCenterLS.y - mSceneBounds.Radius;
float n = sphereCenterLS.z - mSceneBounds.Radius;
float r = sphereCenterLS.x + mSceneBounds.Radius;
float t = sphereCenterLS.y + mSceneBounds.Radius;
float f = sphereCenterLS.z + mSceneBounds.Radius;
mLightNearZ = n;
mLightFarZ = f;
XMMATRIX lightProj = XMMatrixOrthographicOffCenterLH(l, r, b, t, n, f);
// Transform NDC space [-1,+1]^2 to texture space [0,1]^2
XMMATRIX T(
0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, -0.5f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f);
XMMATRIX S = lightView*lightProj*T;
XMStoreFloat4x4(&mLightView, lightView);
XMStoreFloat4x4(&mLightProj, lightProj);
XMStoreFloat4x4(&mShadowTransform, S);
}
渲染场景到阴影贴图的代码如下：
void ShadowMapApp::DrawSceneToShadowMap()
{
mCommandList->RSSetViewports(1, &mShadowMap->Viewport());
mCommandList->RSSetScissorRects(1, &mShadowMap->ScissorRect());
// Change to DEPTH_WRITE.
mCommandList->ResourceBarrier(1, &CD3DX12_RESOURCE_BARRIER::Transition(
mShadowMap->Resource(),
D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
D3D12_RESOURCE_STATE_DEPTH_WRITE));
UINT passCBByteSize = d3dUtil::CalcConstantBufferByteSize(sizeof (PassConstants));
// Clear the back buffer and depth buffer.
mCommandList->ClearDepthStencilView(mShadowMap->Dsv(),
D3D12_CLEAR_FLAG_DEPTH | D3D12_CLEAR_FLAG_STENCIL, 1.0f, 0, 0, nullptr);
// Set null render target because we are only going to draw to
// depth buffer. Setting a null render target will disable color writes.
// Note the active PSO also must specify a render target count of 0.
mCommandList->OMSetRenderTargets(0, nullptr, false, &mShadowMap->Dsv());
// Bind the pass constant buffer for the shadow map pass.
auto passCB = mCurrFrameResource->PassCB->Resource();
D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS passCBAddress = passCB->GetGPUVirtualAddress() + 1*passCBByteSize;
mCommandList->SetGraphicsRootConstantBufferView(1, passCBAddress);
mCommandList->SetPipelineState(mPSOs["shadow_opaque"].Get());
DrawRenderItems(mCommandList.Get(), mRitemLayer[(int)RenderLayer::Opaque]);
// Change back to GENERIC_READ so we can read the texture in a shader.
mCommandList->ResourceBarrier(1,
&CD3DX12_RESOURCE_BARRIER::Transition(
mShadowMap->Resource(),
D3D12_RESOURCE_STATE_DEPTH_WRITE,
D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ));
}
这里我们设置渲染目标为Null，因为我们只渲染阴影贴图。显卡会对只渲染深度的情况优化，它会比渲染颜色明显要快。PSO也要定义渲染目标数量为0：
D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC smapPsoDesc = opaquePsoDesc;
smapPsoDesc.RasterizerState.DepthBias = 100000;
smapPsoDesc.RasterizerState.DepthBiasClamp = 0.0f;
smapPsoDesc.RasterizerState.SlopeScaledDepthBias = 1.0f;
smapPsoDesc.pRootSignature = mRootSignature.Get();
smapPsoDesc.VS =
{
reinterpret_cast<BYTE*>(mShaders["shadowVS"]->GetBufferPointer()),
mShaders["shadowVS"]->GetBufferSize()
};
smapPsoDesc.PS =
{
reinterpret_cast<BYTE*>
(mShaders["shadowOpaquePS"]->GetBufferPointer()),
mShaders["shadowOpaquePS"]->GetBufferSize()
};
// Shadow map pass does not have a render target.
smapPsoDesc.RTVFormats[0] = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
smapPsoDesc.NumRenderTargets = 0;
ThrowIfFailed(md3dDevice->CreateGraphicsPipelineState(
&smapPsoDesc,
IID_PPV_ARGS(&mPSOs["shadow_opaque"])));
对于这个灯光渲染场景的着色器代码非常简单，因为我们只关心阴影贴图，所以不需要进行其它复杂的像素着色器计算：
//*********************************************************************
// Shadows.hlsl by Frank Luna (C) 2015 All Rights Reserved.
//*********************************************************************
// Include common HLSL code.
#include "Common.hlsl"
struct VertexIn
{
float3 PosL : POSITION;
float2 TexC : TEXCOORD;
};
struct VertexOut
{
float4 PosH : SV_POSITION;
float2 TexC : TEXCOORD;
};
VertexOut VS(VertexIn vin)
{
VertexOut vout = (VertexOut)0.0f;
MaterialData matData = gMaterialData[gMaterialIndex];
// Transform to world space.
float4 posW = mul(float4(vin.PosL, 1.0f), gWorld);
// Transform to homogeneous clip space.
vout.PosH = mul(posW, gViewProj);
// Output vertex attributes for interpolation across triangle.
float4 texC = mul(float4(vin.TexC, 0.0f, 1.0f), gTexTransform);
vout.TexC = mul(texC, matData.MatTransform).xy;
return vout;
}
// This is only used for alpha cut out geometry, so that shadows
// show up correctly. Geometry that does not need to sample a
// texture can use a NULL pixel shader for depth pass.
void PS(VertexOut pin)
{
// Fetch the material data.
MaterialData matData = gMaterialData[gMaterialIndex];
float4 diffuseAlbedo = matData.DiffuseAlbedo;
uint diffuseMapIndex = matData.DiffuseMapIndex;
// Dynamically look up the texture in the array.
diffuseAlbedo *= gTextureMaps[diffuseMapIndex].Sample(gsamAnisotropicWrap, pin.TexC);
#ifdef ALPHA_TEST
// Discard pixel if texture alpha < 0.1. We do this test as soon
// as possible in the shader so that we can potentially exit the
// shader early, thereby skipping the rest of the shader code.
clip(diffuseAlbedo.a - 0.1f);
#endif
}
这里像素着色器没有返回值，是因为我们只输出深度值。像素着色器只用以裁剪透明的像素片段。如果不需要根据透明度进行裁剪，我们可以设置像素着色器为null，这样可以让性能更高。
如果渲染阴影贴图的时候包含曲面细分几何体，我们需要曲面细分要和摄像机渲染时的细分保持一致；也就是说相机与物体的距离和光源与物体的距离要差不多，否则阴影会出现错误。一种优化的方案是，渲染阴影贴图的时候不使用曲面细分。（这种优化用准确性交换速度）
4.5 阴影因子
阴影因子代表像素是否在阴影中（0~1），CalcShadowFactor在Common.hlsl实现：
float CalcShadowFactor(float4 shadowPosH)
{
// Complete projection by doing division by w.
shadowPosH.xyz /= shadowPosH.w;
// Depth in NDC space.
float depth = shadowPosH.z;
uint width, height, numMips;
gShadowMap.GetDimensions(0, width, height, numMips);
// Texel size.
float dx = 1.0f / (float)width;
float percentLit = 0.0f;
const float2 offsets[9] =
{
float2(-dx, -dx), float2(0.0f, -dx), float2(dx, -dx),
float2(-dx, 0.0f), float2(0.0f, 0.0f), float2(dx, 0.0f),
float2(-dx, +dx), float2(0.0f, +dx), float2(dx, +dx)
};
[unroll]
for(int i = 0; i < 9; ++i)
{
percentLit += gShadowMap.SampleCmpLevelZero(gsamShadow,
shadowPosH.xy + offsets[i], depth).r;
}
return percentLit / 9.0f;
}
在我们的模型中，阴影因子会和我们直接光照计算的结果有冲突：
// Only the first light casts a shadow.
float3 shadowFactor = float3(1.0f, 1.0f, 1.0f);
shadowFactor[0] = CalcShadowFactor(pin.ShadowPosH);
const float shininess = (1.0f - roughness) * normalMapSample.a;
Material mat = { diffuseAlbedo, fresnelR0, shininess };
float4 directLight = ComputeLighting(gLights,
mat, pin.PosW,
bumpedNormalW, toEyeW, shadowFactor);
float4 ComputeLighting(Light gLights[MaxLights],
Material mat,
float3 pos, float3 normal, float3
toEye,
float3 shadowFactor)
{
float3 result = 0.0f;
int i = 0;
#if (NUM_DIR_LIGHTS > 0)
for(i = 0; i < NUM_DIR_LIGHTS; ++i)
{
result += shadowFactor[i] *
ComputeDirectionalLight(gLights[i], mat, normal, toEye);
}
#endif
#if (NUM_POINT_LIGHTS > 0)
for(i = NUM_DIR_LIGHTS; i < NUM_DIR_LIGHTS+NUM_POINT_LIGHTS; ++i)
{
result += ComputePointLight(gLights[i], mat, pos, normal, toEye);
}
#endif
#if (NUM_SPOT_LIGHTS > 0)
for(i = NUM_DIR_LIGHTS + NUM_POINT_LIGHTS; i < NUM_DIR_LIGHTS +
NUM_POINT_LIGHTS + NUM_SPOT_LIGHTS; ++i)
{
result += ComputeSpotLight(gLights[i], mat, pos, normal, toEye);
}
#endif
return float4(result, 0.0f);
}
阴影因子不影响环境光，也不影响来自环境贴图的反射光。
4.6 阴影贴图测试
进行比较d§ 和 s§，它们都是在NDC空间才能进行比较，gShadowTransform矩阵可以从世界坐标系变换到阴影贴图坐标系：
// Generate projective tex-coords to project shadow map onto scene
// in vertex shader.
vout.ShadowPosH = mul(posW, gShadowTransform);
// Do the shadow map test in pixel shader.
float3 shadowFactor = float3(1.0f, 1.0f, 1.0f);
shadowFactor[0] = CalcShadowFactor(pin.ShadowPosH);
gShadowTransform矩阵保存在per-pass constant。
4.7 渲染阴影贴图
本Demo中，我们在右下角也渲染了阴影贴图，这样方便做测试：
5 大PCF内核
略 可查看原书
6 总结
- 渲染目标不是必须要设置为后置缓冲，也可以渲染到纹理；很多效果，比如阴影贴图，水流模拟等都需要用到渲染到纹理技术；
- 正交投影的可视区域是一个盒子，它主要用以3D科学和工程应用。在这里可以用来生成平行光产生的阴影；
- 投影纹理之所以这么叫，是因为它让我们可以将纹理投影到任意几何体上。投影纹理最主要的就是为每个像素创建纹理坐标，这个纹理坐标叫做：projective texture coordinates；
- 阴影贴图是一个实时阴影技术，支持任意几何体的阴影。它的思路是创建灯光视角下的深度信息到阴影贴图；然后从摄像机视角渲染场景，对像素到灯光的距离和阴影贴图记录的深度值进行比较，来判定当前像素是否在阴影中；
- 反走样是阴影贴图中最大的挑战。因为阴影贴图的分辨率是有限的，所以阴影贴图的每个像素对应的场景中的一片区域，所以对它的采样是不连续的，这就导致了叫shadow acne的走样效果。使用图形硬件支持的slope-scaled-bias，是通用的修复上述问题的策略。有限分辨率的应用贴图导致阴影边缘走样的问题，PCF是最流行的修复它的技术。更多更高级的反走样技术是cascaded shadow maps and variance shadow maps。