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ZFXEngine开发笔记之Shadow Volume
作者:i_dovelemon
来源:CSDN
日期:2014 / 10 / 20
主题: Shadow Volume
引言
游戏中，往往有很多的光影效果。想要营造出很好的光影效果，物体在光源照射下的阴影就必不可少。本节内容就向大家讲述如何构建阴影。
Shadow Volume
构建阴影的方法有很多，常用的两种方法是Shadow Volume和Shadow mapping。本片博文将向大家讲述使用Shadow Volume来构建阴影的方法。
Shadow Volume的算法是由Frank Crow在1977年提出的。一个Shadow Volume将一个3D场景划分成两个部分，分别是阴影区域和非阴影区域。这种算法，自从Doom 3yi依赖，就变的非常的出名。John Carmack在前人的基础上，提出了一种改进的方法，使得Shadow Volume方法在游戏业十分的出名。总的来说，就是通过Stencil buffer来标记Shadow volume所划分的阴影和非阴影区域。从而在当前的Color Buffer中进行绘制，在Stencil Buffer中标记了某块区域是阴影，那么我们就在Color Buffer的对应区域绘制成黑色阴影。
说了这么多的Shadow Volume，那么Shadow Volume到底是什么了？它的具象表现又是怎么样的？为了理解Shadow Volume的概念，我们先来了解下，为什么物体会有阴影。（额。。。，这个很明显吧！！！）
我们知道，光线是直线传播的。如果光线遇到了不可穿越的阻挡物，那么光线无法将被物体遮挡的部分进行光照。在没有光照的情况下，自然这块区域就变成了黑色，从而形成了阴影。
我们来看一张图：
从上图中我们就可以看出，Shadow Volume是值由光源发出的线与被照射物体的边缘顶点连线，然后截取一段，这样的一段几何体，我们就称之为Shadow Volume。物体本身正对着光源的那一个面，我们称之为Front Cap，而背面截取的那一段，被称为Back Cap。这样，就唯一的定义了一个Shadow Volume了。
Z-PASS算法
我们假设，我们已经根据物体构建出来了这样的一个Shadow Volume。有了这个Shadow Volume之后该怎么做了？
想想我们之所有提出这个Shadow Volume的原因，是想要将我们的场景划分称为两个部分：阴影区域和非阴影区域。也就是说，由这个Shadow Volume所构建出来的空间，应该就是不能够被照亮的，也就是说，它就是阴影部分。所以，我们能不能把这个阴影部分通过某种方法标记出来了？读者可能想到，好吧，既然Shadow Volume就是阴影部分，那么我们直接将这个Shadow Volume当做一个模型，并且给它赋予黑色，然后直接画出来，如何？的确，通过这样的方法，阴影的确画出来了。但是，同样的，空间中没有任何物体存在的部分，由于你将Shadow Volume当做一个物体模型，使得这块部分也被画出来了。读者啊，请仔细的观察下现实世界中的阴影，阴影只会在物体上显示出来，空间本身并不会显示阴影。所以这样的方法，肯定是不行的。但是它提出了一个想法，通过绘制Shadow Volume，来对图像进行标记，标记出那些存在物体，并且在Shadow Volume中的阴影像素部分。好了，这个就是Shadow Volume方法能够实现的原理所在。
那么，通过什么样的方式来进行标记阴影像素部分了？这里就需要用到3D图形库所带有的特性了。
DirectX支持使用Stencil buffer。这里的算法就要借助于Stencil Buffer来标记阴影部分。
下面是使用Z-Pass算法绘制阴影的步骤：
1.正常的使用环境光和发射光来绘制当前场景，从而获取到场景的Depth信息。
2.开启Stencil Buffer，关闭Depth buffer和Color buffer绘制所有的Shadow Volume（我们不是在场景中显示Shadow Volume，只是用来标记，所以关闭掉Color Buffer和Depth Buffer）。绘制Shadow Volume的时候，先绘制正对视点的那些面，并且设置，当Depth Test通过的时候，对应的Stencil Buffer值加1.然后绘制Shadow Volume的背面，并且设置当Depth Test通过的时候，对应的Stencil Buffer的值减1。
3.使用屏幕渲染(2D渲染，就是对屏幕直接画一张黑色的图)的方法，对屏幕使用黑色渲染，并且只对那些Stencil buffer中的值大于等于1的像素进行渲染。
通过上面的方式，那些被标记了的像素位置的Stencil Buffer的值都是大于等于1的，然后在屏幕渲染之后，就会变成了黑色部分，从而形成了阴影部分。
读者，看到这里可能会和我一样的去想，为什么这样做了以后就标记成功了？原理是如何的了？
我们来讨论下这种算法的依据是什么。
首先，存在这样的一个事实。当我们从视点，也就是眼睛的部位发射一条射线到一个物体上去。如果这条射线，穿过了Shadow Volume的前面(Front face)，并且也穿越了背面(Back Face)。那么这个物体自然就是在Shadow Volume外面的。如果值仅仅的穿越过Front Face，而没有穿越过Back face，那么也就是说这个物体就在Shadow Volume中，即这个物体是需要接受阴影的，我们就来标记它一下。这里讨论的是一个Shadow Volume的情况，当多个Shadow Volume同时出现的时候，这个事实依然是正确的。如果读者对文字不清楚，那么来看下下图：
从上图中，我们可以看到，只要穿越了Shadow Volume的前面我们就+1，穿越了后面就-1。而在Shadow Volume里面的值都是大于等于1的。在外面的值刚好是0。很容易理解了吧！！！
基于这个事实，我们就能够想到我们首先将正常的场景绘制出来，那么整个场景的Depth map就有了。每一个像素对应的Depth Value我们都知道了。为了模拟出来上面讨论的那种射线穿越过前面就+1，穿越后面就-1的特性，我们并不是真的发出射线来进行判断（虽然理论上的确可以做到，但是那要消耗太大了，套用一个网友的话来说就是，仅仅是一个效果而已，开销太大的算法完全没有使用的必要），而是通过一种很有技巧性的方法来。
我们现在已经有了Depth map的值，那么我们先绘制所有Shadow Volume的front face。在进行绘制的时候，自然就会进行Depth Test（Z-Test，如果读者对这些概念都不懂，那么本篇文章不适合读者。），如果Depth Test通过了，那么就表示当视点的当前位置，Shadow volume的front face中通过Depth Test的位置是在物体的前方的，也就是说，你发射射线到这个物体的话，一定会穿越我，所以，我就+1，表示射线穿越过我了。这种行为就是上面的”绘制front face的时候，一旦Depth Test通过了，Stencil Buffer的值就+1“。同样的，对于Shadow Volume的背面，如果它也通过Depth Test，那么就表示这个点也是在物体前面的，射线也会穿越它，所以就-1。这种行为就是上面的”绘制shadow volume的back face的时候，一旦Depth Test通过了，stencil buffer的值-1“。好了，通过这样的方法，我们就能够将最终显示的图像的Stencil buffer全部计数完毕。那么，当stencil buffer的值大于等于1的时候，也就是说该像素点是阴影。如果stencil buffer的值为0，就表示该点不是阴影或者不存在物体，我们不做任何处理。
哈！多么高技巧的手法啊！真佩服想出这种算法的人，通过这样的技巧，大大的减少了发射射线来的计算开销。果然，算法无止境，只是想到与想不到的区别。
Oops！
上面的方法，已经能够实现大部分的阴影了（wow，大部分？？？还有没有办法实现的情况？？？）。但是，读者发现没有，上图中，都是假设视点在Shadow Volume之外，如果视点在Shadow Volume中了（这种情况常常出现，躲在Shadow里的人们啊!!）?读者自己试一下，会发现在绘制Shadow Volume的时候，由于裁剪会把Shadow Volume的前面给裁剪掉，这就造成了，没有绘制这些面，那么stencil buffer中的值自然就缺少了计数。所以会出现不正常的阴影。
从上图，读者就可以在Shadow volume里面的物体，它对应的stencil buffer的值，并不是大于等于1而是0。所以这就导致错误了。
Z-FAIL算法
前面提到，John Carmack（3D游戏鼻祖，读者可自行搜索）在Doom3中，使用了一种新的方法来改进了这样的缺陷。我们称之为Z-FAIL算法。这个算法的整体思路还是和上面的算法一致。只是在对那种行为的模拟上进行了改进。上面讨论说，如果视点在shadow volume里面的话，从视点发射射线遇到物体的话，会出现少计数的情况。那么，也就是说视点如果总是在shadow volume外面的话，那就能保证，这个算法是正确的，对吗？
而视点不可能总是在shadow volume外面，所以我们来虚拟一个视点，这个视点总是存在所有的shadow volume的深度最深处。如果不理解的话，来看看下面的图片：
这样，我们在通过这个virtual eye来进行上面的算法，是不是就总是成功的了，对吧！而这样进行的话，就必然要与原来的运算相反。也就是说，对于virtual eye的front face实际上就是shadow volume的back face，而对于virtual eye的back face就是shadow view相对于真实eye的front face。同样的对于virtual eye来说的depth test通过，对真真的eye来说实际上是depth test失败。好了，这样就能得到下面关于Z-FAIL的算法了：
1.使用环境光和发射光绘制正常的场景，获取depth test的值。
2.开启stencil buffer，关闭depth write， color buffer，先绘制shadow volume的背面，并且设置当depth test失败的时候，stencil buffer的值+1。然后再绘制shadow volume的前面，并且设置depth test成功的时候，stencil buffer的值-1。
3.使用屏幕渲染，渲染屏幕，绘制阴影。
好了，聪明吧！！！使用了一个等价代换的思想就能够将原本不能成功情况，变的成功了。这种算法，无论视点在何处，都能够成功的绘制出来。
读者啊，请注意，这里说明的virtual eye的思想，只是我对它这个算法的理解，John Carmack是如何想出Z-FAIL算法的，我并不知道，这里仅仅提供给大家参考，能够通过这种方法理解，最好不过了。
Ghost Shadow
在作者自己试验编写这个Demo的时候，总是会出现一个莫名其妙的Shadow，如下图所示：
上面的阴影是正常的，但是下面不知道怎么回事又出现了一个阴影。作者苦苦调试，改代码，弄了一整天，最后才在ShaderX系列文章中，关于Shadow Volume的一章中找到的原因所在。
原来构建Shadow volume的时候，你的Shadow volume需要无限延伸，也就是说，在绘制shadow volume的时候，它的背面肯定有一些被远裁剪面给裁剪掉了，这就导致了一部分的stencil buffer没有进行计数，从而出现这种情况。在ShaderX的文章中，提出了一种改进的策略，读者可以自行去了解。这里作者就偷下懒，没有将shadow volume构建的无限延伸，而是在深度范围以内，这也就没有问题了。
读者啊，这些方法都是通过计算机模拟出来的，并不是真实世界阴影形成的方式。他们只能够在一些条件情况下可以使用，可能在另外的环境，比如ShaderX中提到的Terrian地形上的阴影，就又会出现问题。所以，读者慢慢的挣扎吧！遇到这些情况，慢慢想办法来解决满足它。总有一天，我们完全可以利用计算进行真实情况下的阴影模拟。（作者傻帽了，现在好像就可以了，使用Ray tracing的方法，就能够模拟出来真实的情况了，可惜的是，这种算法计算量太大，现在的计算机硬件技术难以事实的计算出来，如果哪一天出现了能够实时的支持Ray tracing， Photo ，Radiace这些图形学算法的时候，游戏的画面将会发生质的改变啊！！！期待ing。。。。）
好了，下面是最终的截图：
这篇文章只是介绍算法的思想，至于实现，就需要作者自己去慢慢的探索了。文章也没有讲述如何构建Shadow volume，感兴趣的读者可以看ShaderX中的文章来了解。
相关链接：
http://blog.163.com/wmk_2000_ren/blog/static/138846192201019114117466/
ShaderX2
ZFXEngine开发笔记之Shadow Volume