different shadowmap

shaodmwap基本原理 shadowmap

PCF ​

核心理解 ​

核心理解大概是想通在shadowmap这张图对应每个位置（coord.xy）随机周围取点， coord.xy + poissondisk[i] * filtersize这样 （先是课上讲过的问题，不是step模糊也不是检测边缘模糊这种。） shadow map 每个位置（coords.xy）存的是"该处离光源最近的深度"。PCF 做的事是：

以 coords.xy 为中心，在周围随机取 N 个点做深度比较，把 N 次 0/1 结果取平均，得到 0~1 的连续 visibility。

采样点位置：

shadowmap:

shadowmap

glsl
coords.xy + poissonDisk[i] * filterSize

note：

  • 不是对 step 的结果做模糊；
  • 也不是"检测阴影边缘再做模糊"；
  • 而是对 shadow map 本身多采样（每个采样点独立做一次遮挡比较），再对比较结果求平均。

只有阴影边界附近的点才会采样到"一半是遮挡、一半不是"的情况，平均出来是灰 → 软边缘。完全在阴影内/外的点，所有采样结果一致，平均还是 0 或 1。

采样点生成（均匀圆盘采样） ​

glsl
void uniformDiskSamples( const in vec2 randomSeed ) {
  float randNum = rand_2to1(randomSeed);
  float sampleX = rand_1to1( randNum );
  float sampleY = rand_1to1( sampleX );

  float angle = sampleX * PI2;
  float radius = sqrt(sampleY);

  for( int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i ++ ) {
    poissonDisk[i] = vec2( radius * cos(angle), radius * sin(angle) );

    sampleX = rand_1to1( sampleY );
    sampleY = rand_1to1( sampleX );

    angle = sampleX * PI2;
    radius = sqrt(sampleY);
  }
}
  • 用 coords.xy 作随机种子 → 每个像素的采样模式固定（不会每帧闪烁）。
  • 半径范围 0 ~ 1（UV 单位），实际使用时要乘 filterSize 缩小。

滤波循环（每点一次比较，求平均） ​

glsl
float PCF(sampler2D shadowMap, vec4 coords) {
  float z[NUM_SAMPLES];
  float tmp[NUM_SAMPLES];

  float sum = 0.0;

  uniformDiskSamples(coords.xy);
  for(int i = 0; i < NUM_SAMPLES; ++i){
    z[i] = unpack(texture2D(shadowMap, coords.xy + poissonDisk[i] * uFilterScale));
    tmp[i] = step(coords.z - uBias, z[i]);
    sum += tmp[i];
  }

  return sum / float(NUM_SAMPLES);
}

逐行含义：

代码含义
coords.xy + poissonDisk[i] * uFilterScale第 i 个采样点的 UV = 中心 + 偏移 × 滤波半径
unpack(texture2D(...))读出该 texel 存的最近深度 z[i]
step(coords.z - uBias, z[i])该采样点的遮挡判定（bias 容忍量化误差）
sum / float(NUM_SAMPLES)N 次判定取平均 → 0~1 visibility

偏移量的单位（texel space） ​

shadow map 是 2048 × 2048，一个 texel 在 UV 空间约 1/2048 ≈ 0.0005。

  • uFilterScale = 0.003 ≈ 6 个 texel 的滤波半径。
  • 偏移必须乘在偏移上（poissonDisk[i] * scale），不能乘在采样结果（深度值）上——乘错对象会导致深度被破坏、全图噪声。

PCFfin

PCSS ​

总体思路 ​

理解大概也是是以coords.xy圆心的的周围某个半径(我用的numrings)类去查下周围的点， 然后avg(shadowmapz)（if block）， 再根据avg计算prenumbra 再pcf(prenumbra~filtersize) -> 最终visibility

以 coords.xy 为圆心，在固定半径内查周围点 → 求 blocker 的平均深度 → 由平均深度算半影宽度 → 用半影宽度做 PCF 的滤波半径 → 得到最终 visibility。

STEP 1: 找 blocker，求平均深度 avgBlocker
STEP 2: 由 avgBlocker 算半影宽度 r（纯算术，不采样）
STEP 3: 用 r 做滤波半径跑 PCF → 最终 visibility

STEP 1：平均 blocker 深度 ​

glsl
float radius = float(NUM_RINGS) * 0.5;

for(int i = 0; i < NUM_RINGS; ++i){
  z[i] = unpack(texture2D(shadowMap, coords.xy + (float(i) - radius) * 0.01));
  if(findBlocker(shadowMap,  coords.xy + (float(i) - radius) * 0.01, coords.z) == 1.){
    sum += z[i];   // 累加 blocker 的深度
    count += 1.;   // 计数
  }
}

if(count == 0.) return 1.;        // 周围没有遮挡物 → 完全被照亮
avgblocker += sum / count;        // blocker 平均深度

要点：

  • 搜索范围：(float(i) - radius) * 0.01，i 从 0 到 NUM_RINGS-1，覆盖中心两侧的网格点。
  • blocker 判定：z < zReceiver（shadow map 里的深度比接收面浅 → 有东西挡在前面）。
  • 读深度和判 blocker 必须在同一个采样点（同一 UV），否则平均出来的深度与判定脱节。
  • count == 0 说明该片元完全没被挡 → 直接返回 1（亮），跳过后续。

STEP 2：半影宽度 ​

glsl
r = (coords.z - avgblocker) / avgblocker * lightWidth;

相似三角形关系：

penumbra=lightWidth×zReceiver−zBlockerzBlocker
  • 接收面离 blocker 越远（分子越大）→ 半影越宽 → 阴影边缘越软。
  • 接收面贴着 blocker（分子→0）→ 半影→0 → 阴影边缘锐利（接触点处）。

STEP 3：用半影宽度做 PCF ​

glsl
sum = 0.;                         // 重要：复用 sum 前必须清零
uniformDiskSamples(coords.xy);
for(int i = 0; i < NUM_SAMPLES; ++i){
  z[i] = unpack(texture2D(shadowMap, coords.xy + poissonDisk[i] * r * uFilterScale));
  tmp[i] = step(coords.z - uBias, z[i]);
  sum += tmp[i];
}

return sum / float(NUM_SAMPLES);
  • 与 PCF 结构完全相同，只是滤波半径变成了 r * uFilterScale（半影宽度 × 基础尺度）。
  • 半影宽度随距离变化 → 阴影软硬随距离变化

完整函数 ​

glsl
float PCSS(sampler2D shadowMap, vec4 coords){

  float z[NUM_RINGS];
  float tmp[NUM_RINGS];
  float sum = 0.0;
  float avgblocker = 0.0;
  float r = 0.0;
  float count = 0.;
  float lightWidth = 10.;

  float radius = float(NUM_RINGS) * 0.5;

  // STEP 1: avgblocker depth
  for(int i = 0; i < NUM_RINGS; ++i){
    z[i] = unpack(texture2D(shadowMap, coords.xy + (float(i) - radius) * 0.01));
    if(findBlocker(shadowMap,  coords.xy + (float(i) - radius) * 0.01, coords.z) == 1.){
      sum += z[i];
      count += 1.;
    }
  }

  if(count == 0.) return 1.;
  avgblocker += sum / count;

  // STEP 2: penumbra size
  r = (coords.z - avgblocker) / avgblocker * lightWidth;

  // STEP 3: filtering
  sum = 0.;
  uniformDiskSamples(coords.xy);
  for(int i = 0; i < NUM_SAMPLES; ++i){
    z[i] = unpack(texture2D(shadowMap, coords.xy + poissonDisk[i] * r * uFilterScale));
    tmp[i] = step(coords.z - uBias, z[i]);
    sum += tmp[i];
  }

  return sum / float(NUM_SAMPLES);
}

PCSSfin

VSMM ​

CSM ​