计算机图形学--阴影1--PCSS算法

阴影是怎么产生的，如何渲染出阴影

Shadow Mapping
假设要渲染以下场景

渲染场景2次：
1.第一次，产生一个shadow map，shadow map描述光源能照到的着色点.

2.从眼睛出发，从第一次渲染 shadow map中，看某个点是否在阴影里.

3. 再次渲染，我们渲染一个结果，比较深度。

好处：不再需要知道场景的几何信息
坏处：走样和锯齿

Shadow Mapping 的问题

问题一：渲染结果自遮挡
原因：我们对每一个场景的像素的深度，这个值是固定的。Shadow Map记录的深度不连续。且光线和场景的像素有夹角，也就是斜着照到像素上，Shadow Mapping 就会出现自遮挡现象。

解决方法：
如果光线打到像素上的时候夹角很大，我们Shadow Map中记录的深度和计算的深度加上偏移。光线和和着色点法线的夹角越大，偏移值越大。

问题二：引入问题一的方案后阴影不全

问题三：走样

如何渲染出好的阴影

预备知识：不等式
我们在实时渲染中，会把不等式在一定条件下，当做约等于用。

乘积的积分和积分的乘机近似：

以上不等式什么时候可以近似相等：
1.实际的积分范围很小的时候，可以近似.
2.g(x)在积分域的范围内变化不大(min,max差别不).

1.面光源,光源没有什么变化
2.BRDF是一个diffuse的材质

PCSS算法(产生软阴影的方法)

Percentage Closer Filtering(PCF)**
第一:不是对已经存在的阴影做Filter
第二:不是对ShadowMap做Filter

PCF算法：
硬阴影：对任意一个着色点，计算它的阴影时候。比较shadow map中点和这个点的深度，看是否在阴影里。这种方式某个点的阴影只有0和1两种结果，也就是在阴影里面，或者不在阴影里面。这种方式产生的阴影叫做硬阴影
软阴影: 如果我们需要软阴影，那么我们这个点(某个着色点)需要和shadow map中的一个点比较。同时和shadow map中这个点附近的 7 * 7(除去该点)个点比较深度。那么我们得到了很多49个值(这些值是0或者1) 加权平均，就得到了一个在0~1之间的数值。那么这个值就可以代表阴影有多"软",越接近0，越软，越接近1，越硬。
PCF的效果：

什么时候是软一些，什么时候硬一些

Percentage Closer Soft Shadows (PCSS)**
距离遮挡物越近，阴影越硬，距离遮挡物越远，阴影越软。我们需要计算一个相对的平均的遮挡物和阴影的投射物之间的距离。

下图是光线，遮挡物（Blocker），阴影接收物(Receiver)和阴影的软硬关系。我们用这个计算的结果来确定过滤时候的核多大。PCF算法中 77 还是 33。

算法的核心：
第一步：记录一个shading point的遮挡物的平均深度（计算多大的区域内遮挡物?)
第二步：计算Filter的大小
第三步：PCF算法

找多大的区域？在着色点，连向光源，形成一个椎体，在这个椎体中去找blocker，再去找平均深度。

截图和公式来源闫令琪老师games202课程
感谢闫令琪老师为我们带来这么精彩的图形学课程
https://www.bilibili.com/video/BV1YK4y1T7yY?p=4&spm_id_from=pageDriver