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计算机图形学之阴影解读

分类: 文章 • 2025-03-18 08:09:21

概览

  • 计算机图形学阴影概览
  • 阴影的物理和数学知识
  • 传统阴影生成算法
    • 投射阴影(Projection shadow)
    • 阴影体(Shadow volume)
    • 阴影映射(Shadow map)
    • 软阴影(Soft shadows)

计算机图形学阴影概览

  • 计算机的写实化(photorealism)主要有两个元素
    • 准确的表达表面的属性(accurate representation)
    • 关于光效果好的物理描述(Good physical desciption)
  • 光表面效果包括
    • 光反射(light reflections)
    • 透明度(transparency)
    • 表面材质(Surface Texture)
    • 阴影(shadow)
  • 计算机图图形学中，物体经常在没有阴影或锚定（anchored）的环境下渲染
  • 阴影可以被考虑为一个被光源隐去的区域
  • 然而，实时逼真渲染是一个非常昂贵的操作
  • 作为替代方案，大多数应用会采用阴影贴图。

阴影的重要性

  • 阴影告诉我们物体的相对位置和运动
  • 阴影提供很多隐含信息
    • 对象投射和接收阴影的位置
    • 到光源的位置
  • 阴影提供非隐含信息
    • 物体的形状
    • 阴影接受物体的形状

阴影生成物理数学知识

  • 硬阴影(umbra) 是一个从光源处出发不可视的区域。
  • 软阴影(penumbra)是一个可以接收到部分光的区域。

传统阴影生成算法

  • 阴影算法不是基于光栅化的渲染管道的标准功能

热门的阴影生成算法有

  • 投影算法
  • 阴影体
  • 阴影映射
  • 软阴影

投射算法

  • 投影阴影（也称为投影阴影或平面阴影）是在OpenGL场景中实现阴影的简单方法，其中将对象投影到平面上，然后将平面渲染为单独的对象或基元
  • 它适用于由点光照射的平面
  • 对于每个面，投影顶点V以找到阴影多边形的V’
  • 物体阴影=面投影的联合
基础步骤
  1. 使用镜面+漫反射+环境分量绘制地平面
  2. 仅使用环境组件绘制阴影投影（面对面）

案例1：

  • 当阴影接收面在轴平面上
  • 例如有个光的位置I(Ix,Iy)I(I_x,I_y)，有一个平面y=0y = 0,有一个点位置v(vx,vy)v(v_x,v_y)，计算点p
    px=lyvx−lxvyly−vyp_x = \frac{l_yv_x-l_xv_y}{l_y-v_y}
  • 这就是一个初中数学

案例2：

  • 立体的，一会再说

优点

  • 很容易实现
  • 可以跨平台

缺点

  • 除了在完全平面上可以应用，很难在其他平面上应用。
  • 可以控制阴影的程度有限

投射体(Shadow volume)

  • 投射体对于处理接收面是任意平面是一个更加通用的算法，其中阴影将由来自光源的对象投射
  • 由遮光罩（occulder）形成并由遮光罩边缘限定的空间体积，它导致阴影体积内的任何对象处于阴影中
  • 阴影将虚拟世界分为两个部分，一个是有阴影世界，一个是无阴影世界。
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  • 形成阴影体积的基本步骤：
  1. 查找所有轮廓边（将前向面与后向面分开的边）
  2. 沿远离光源的方向延伸所有轮廓边
  3. 将前盖和/或后盖添加到每个表面以形成闭合体积（可能不需要，具体取决于所使用的实现方式）
被黄色线段覆盖的就是阴影体

计算机图形学之阴影解读

优点：

  • 全方位的方法(omi-direction)
  • 自动自成阴影(automatic self-shadowing)
  • 窗口空间阴影确定(windows-space shodow determine)

缺点

  • 消耗大量的GPU填充率
  • 需要具有连接性的多边形模型
  • 剪影计算是必需的(sihouette computation are required)
  • 仅限理想光源

阴影映射

  • 阴影贴图是通过测试像素是否从光源可见，通过将像素与以纹理形式存储的光源视图的Z缓冲区或深度图像进行比较来创建的
  • 这种技术比阴影体积更不精确，但是阴影贴图可能是一种更快的选择，这取决于在特定应用程序中这两种技术需要多少填充时间，因此可能更适合于实时应用程序。
  • 分为两种方法（Lance Williams于1978年介绍）：
  • 从灯光的视角渲染场景
    • 像对待相机一样对待光线
    • 渲染到深度纹理以创建阴影贴图
  • 从相机的视角渲染场景
    • 在顶点明暗器中将每个顶点从世界空间转换为光空间
    • 将光空间位置发送到片段明暗器
    • 将片段的深度与阴影贴图中存储的深度进行比较。如果深度较大，则隐藏

案例

计算机图形学之阴影解读
计算机图形学之阴影解读

  • 图描述：几何图形从灯光的角度渲染到深度缓冲区。更具体地说，顶点明暗器(vertex shader)将几何体转换为灯光视图空间。
    最终结果是一个深度缓冲区，其中包含从灯光的角度观察到的场景深度信息。
    计算机图形学之阴影解读
  • 图说明：顶点明暗器将每个顶点变换两次。每个顶点都被转换到相机的视图空间中，并作为位置传递到像素明暗器。每个顶点也由灯光的“视图投影”纹理矩阵转换，并作为纹理坐标传递给像素明暗器。视图投影纹理矩阵与使用附加变换渲染场景的矩阵相同。这是一种将点从视图空间（X和Y中为-1到1）缩放并转换为纹理空间（X中为0到1，Y中为1到0）的转换。
  • 像素明暗器接收插值位置和插值纹理坐标。执行深度测试所需的一切都在这个纹理坐标中。深度测试现在可以通过将第一次通过的深度缓冲区与X和Y纹理坐标进行索引，并将生成的深度值与Z纹理坐标进行比较来执行。
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优点

  • 不需要模板缓冲区（stencil buffer）
  • 当阴影很多的时候，比阴影体算法快

缺点

  • 只可以操作平行光
  • 自阴影是不正确的
  • 背后阴影是不正确的。

软阴影

  • 软阴影是一种区域光创建半影，其中光从给定点仅部分可见。
  • 为了产生软阴影，我们按区域（称为区域光）对光源进行建模，区域被划分为子区域或区域。
  • 它也可以通过一组点光源进行建模。
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多点光源的软阴影

  • 添加剂混合用于积累每种光的贡献。
  • 阴影的柔和程度取决于足够数量的样本。
  • 渲染场景的时间随用于近似区域光源的采样数线性增加。

总结

  • 阴影传输大量的信息，以提供一个物体的基本视图，在这个物体上，没有影子显示的物体会在平面上漂浮(float above the plane)。
  • 投影阴影限制平面接收机，没有自我影子
  • 需要多边形表示影像卷和剪切阴影体多边形的影像卷需要被寻址
  • 影像映射图是一种图像空间技术，有两个输出路径，如果所有相关的对象都对于光可见，则正确地工作。
  • 区域光线制造软阴影

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