Shadow Map -- 点阴影（全方位）

　　

　　昨晚终于把点阴影（深度CubeMap）程序调通了，思想不难，基本就是在上节定向光阴影基础上稍作修改，但是CG程序不太方便Debug，需要输出中间效果图进行判断，耽搁了一会儿。

　　过程如下：

　　

　　1、将深度渲染到CubeMap上

　　为了以后使用方便，在Texture文件中扩展功能，添加一个生成CubeMap的函数

GLuint WKS::CubeMap::GenDepthCubeMap(GLuint width, GLuint height) {
    glGenTextures(1, &this->textureID);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, this->textureID);
    for (GLuint i = 0; i < 6; i++) {
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    }
    glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, 0);
    return this->textureID;
}

　　同样为了以后方便，在DefferredShading文件中扩展功能，添加附加深度CubeMap到帧缓冲的函数

       （注：暂时遇到一点奇怪的问题，同时添加颜色缓冲纹理和2D深度缓冲纹理（或深度缓冲对象RBO）是没有问题的。但是如果是深度CubeMap，同时再添加颜色缓冲纹理就会报错，现在没找到解决办法，不过做阴影渲染只需要深度CubeMap，额……）

void DeferredShading::setupDepthBufferByCubeMap(GLuint texId) {
    this->BindGBuffer();
    glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, texId, 0);
    //检查帧缓冲是否完整
    if (glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE)
        std::cout << "ERROR::FRAMEBUFFER:: Depth CubeMap is not added to FrameBuffer correctly!" << std::endl;
    else std::cout << "Successful:: Depth CubeMap is added to FrameBuffer correctly" << std::endl;
    this->BindDefaultBuffer();
}

　　既然渲染深度到CubeMap，那么就需要6个方向的view矩阵，并传入shader，故新建了个ShadowMap文件完成这些操作。

//ShadowMap.h

#pragma once
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include "../BaseFile/Shader.h"

class ShadowMap
{
public:
    ShadowMap();
    ~ShadowMap();
    void updateLightSpaceMatrix(glm::vec3 lightPos);
    void transmitMat2Shader(Shader* shader);

private:
    void setup();

private:
    glm::mat4 shadowProj;
    std::vector<glm::mat4> shadowTransforms;
};

　　

//ShadowMap.cpp

#include "./ShadowMap.h"


ShadowMap::ShadowMap()
{
    this->setup();
}

ShadowMap::~ShadowMap()
{
}

void ShadowMap::setup() {
    this->shadowProj = glm::perspective(glm::radians(90.0f), 800.0f / 800, 1.0f, 100.0f);
}

void ShadowMap::updateLightSpaceMatrix(glm:: vec3 lightPos) {
    this->shadowTransforms.clear();
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(1.0, 0.0, 0.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(-1.0, 0.0, 0.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, 1.0, 0.0), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0), glm::vec3(0.0, 0.0, -1.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, 0.0, -1.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
}

void ShadowMap::transmitMat2Shader(Shader* shader) {
    shader->use();
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        std::string name = "shadowMatrices["+std::to_string(i)+"]";
        shader->setMat4(name, this->shadowTransforms[i]);
    }
}

　　现在来看看着色器咋样的^_^

　　我们不必在 OpenGL 程序中控制 View ，渲染六遍，将六个方向的深度分别渲染到 CubeMap 的各个面上。几何着色器可以帮助完成这一点，几何着色器中有一个内建变量 gl_Layer ，可以控制当前渲染的图元输出到CubeMap哪一个面。故我们只需要将每个图元在几何着色器中渲染六次，且每次指定输出到一个面，当然得配合传入的对应的 view * projection 矩阵，这样就实现渲染六个方向的深度到CubeMap。

• 顶点着色器：只需将顶点坐标变换到世界坐标（乘以 model matrix），输出到几何着色器。

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;

uniform mat4 model;

void main()
{
    gl_Position = model * vec4(position, 1.0);
}

• 几何着色器：需要传入六个view*projection矩阵，通过 gl_Layer 内建变量生成每个方向的深度图。

#version 330 core
layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices=18) out;

uniform mat4 shadowMatrices[6];

out vec4 FragPos; // FragPos from GS (output per emitvertex)

void main()
{
    for(int face = 0; face < 6; ++face)
    {
        gl_Layer = face; // built-in variable that specifies to which face we render.
        for(int i = 0; i < 3; ++i) // for each triangle's vertices
        {
            FragPos = gl_in[i].gl_Position;
            gl_Position = shadowMatrices[face] * FragPos;
            EmitVertex();
        }    
        EndPrimitive();
    }
}

• 片段着色器：传入光源位置、远平面距离，计算 当前片元到光源的距离 / 远平面距离，输出到深度值。

#version 330 core
in vec4 FragPos;

uniform vec3 lightPos;
uniform float far_plane;

void main()
{
    // get distance between fragment and light source
    float lightDistance = length(FragPos.xyz - lightPos);

    // map to [0;1] range by dividing by far_plane
    lightDistance = lightDistance / far_plane;
    // write this as modified depth
    gl_FragDepth = lightDistance;
}

　　这样就完成了深度CubeMap生成。

　　为了测试深度CubeMap是否正确，可以用天空盒的方式显示生成的CubeMap。

　　当然了也可以在后续的渲染阴影中，用采样CubeMap的深度值代替颜色值显示深度，这样还可以稍作修改显示实际的深度值（当前片元与光源的距离值），两者直接对比，可以检测第一步（First Pass）是否有问题。

　　展示一下我实现的采样CubeMap深度值显示（左图）与 实际深度值显示（右图）的对比：

　　   

　　

　　2、使用深度CubeMap渲染全方位阴影

　　这一部分就很简单了，很往常渲染基本一样，只需要添加阴影判断。

　　在片段着色器中传入深度CubeMap：

uniform samplerCube shadowMap;

　　计算当前的片元的深度，并判断是否在阴影中：

float ShadowCalculation(vec3 fragPos)
{
    vec3 light2Frag=fragPos-spotLight.position;
    float closestDepth = texture(shadowMap, light2Frag).r;
    closestDepth*=far_plane;
    float currentDepth=length(light2Frag);
    float shadow = currentDepth-0.05f > closestDepth  ? 1.0 : 0.0;
    return shadow;
}

　　使用这个阴影判断值计算光照值：

color=vec4(result*(1.0f-shadow)+ambient,1.0f);

　　效果图：

　　  

　　OK，至此完成了Shadow Map的总结啦 ^_^。