实时全局光照RSM-Reflective Shadow Maps(RSM)

全局光照介绍

现实世界光处于线性空间，光照效果是可以叠加的，最终的光照结果 = 直接光照 + 间接光照，结果也被称为全局光照（Global illumination）。与之对比的是局部光照——仅考虑直接光照。那么自然在目前线性空间的渲染技术当中，同样符合光照结果 = 直接光照（direct light） + 间接光照（indirect light）。

直接光：光源直接照射到物体上，后被反射进眼睛，来自被指定的光源。

间接光：光经过多次弹射（至少大于等于两次）后进入眼睛，来自被着色位置正半球的所有可能方向。

全局光照十分重要，但也比较复杂，在之前的Blinn-Phong模型中有个Ambient light光照（物体自发光），相当于给场景中的每个像素加上了一个相同的间接光照，但是实际上是不合理的，因为如下图中阴影部分面积的光照强度都是不同的。

1.依托于硬件特性，实现全局光照的思路有两种。

光线追踪

光栅化

使用光线追踪的思路来渲染，便可以相当完美地处理全局效果，不仅仅是全局的光照着色部分，更能轻而易举地解决所有可能光照的阴影问题。但问题出在光追上：硬件要求高，代价昂贵，虽然实时光追硬件自2018年来已经问世良久，但光追依旧主要用于离线渲染。面对实时渲染尤其是游戏那至少30FPS（Frames per Second）的要求，光追还是望而却步。

2.在引擎当中，我们分为三个部分处理：光源直接光，光源间接光，环境光。

光源直接光：光从所设光源发出经历一次弹射后进入眼睛。

光源间接光：光从所设置光源发出经过多次（大于等于两次）弹射进入眼睛。

环境光：通常由天空盒构成,更简单的话设置一个系数。（特别说明，这是一种不得已采取的模拟方案，现实环境中仅存在上述光源直接光和光源间接光，但我们无法模拟出地球现实如此复杂的物理环境，加入环境光近似模拟，参考IBL）

在实时渲染中，所说的解决实时光照，其实就是解决一次或多次反射后的间接光照。人们常追求简单且快速的方法解决一次反射间接光照的问题。

在之前的games101中有讲过，p点的间接光照：光源照向Q点，Q点接收光照后充当光源，再照向P点，即一切被直接光照(primary light source)照到的物体会充当光源（次级光源secondary light source）

直接光照和全局光照实例

在下面的场景中，用小太阳代替可以直接光照的点（图中只是示例的几个点），不能直接光照的将展示成纯黑色的场景

将图中的小太阳将当做次级光源来照向场景中的其他物体，就可以得到直接光照+一次间接光照后的场景（全局光照）

RSM-Reflective Shadow Maps

需要解决的问题

如果我们需要解决任一点p的间接光照后得到的结果是什么，那么我们应该先知道些什么？

（1）哪些是次级光源（哪些物体的位置会被直接光照照到）。可通过shadow map

（2）把每一个次级光源的贡献算到点p上去，那么每一个次级光源的贡献是多少？算出每一个次级光源的贡献后再求和就可以得到点p的间接光照的计算。

由于需要从每一个次级光源照向点p，所以我们的观察方向是从点p来观察这些次级光源，而不是从camera来观察这些光源的。所以对于点p来说，出射方向我们不知道，所以不能算出它的shading。所以这里我们假设每一个次级光源都是漫反射（不依赖于我们观察的方向），出射的辐射方向都是均匀的。

light覆盖的立体角上的积分，可以转换为light区域上的积分。

由于考虑到实时性，不可能在每一个次级光源都做一次shadow map，所以直接不考虑p点对于次级光源来说是否可见。

并不是所有的像素在RSM中都是有贡献的，主要由三点决定：可见度，方向，距离。

图中并不是所有的点都对x点有贡献。

方向上：比如点x-1在shadow map上记录的是桌面上的一点，但是由于RSM不考虑可见性所以记录的是x-1点，桌面上的点与x点法线夹角大于90度，所以x-1应该对x点是没有贡献的。

距离上：由于光照强度与距离的平方成反比，所以距离对光照的影响很大，但是在世界坐标下两点的距离不好找，所以直接将shading point投影到shadow map上去，直接在shadow map上找周围一圈的点（在shadow map离得比较近或者深度比较近就当做在世界坐标系上比较近）。即便如此也要很大的范围遍历，所以为了提高速度，可以在shadow map上采样一些点来提高速度，具体的采样方法可以自行考虑，比如说距离点越近采样率越高，但贡献小一些，距离远一些采样稀疏一些但贡献大一些等等。

补充

在使用RSM中通常要记录深度、世界坐标系、法线、通量等信息

RSM方法通常使用在游戏中的手电筒上

参考视频