现代OpenGL阴影立方体贴图上的指针？

Question

背景

我正在使用C++和现代OpenGL(3.3)开发3D游戏.我现在正致力于光照和阴影渲染,并且我已经成功实现了方向阴影贴图.在阅读了游戏要求后,我决定要点光影映射.在做了一些研究之后,我发现要做全向阴影贴图,我会做类似于定向阴影贴图的事情,但是使用立方体贴图.

我以前没有立方体贴图的知识,但我对它们的理解是立方体贴图是六个纹理,无缝连接.我做了一些环顾四周但不幸的是我很难找到关于现代OpenGL主题的权威"教程".我首先寻找教程,从头到尾解释它,因为我认真地努力学习源代码片段或概念,但我尝试过.

目前的理解

以下是我对这个想法的一般理解,减去技术性.请指正.

• 对于每个点光源,都会设置帧缓冲,就像定向阴影贴图一样
• 然后生成单个立方体贴图纹理并绑定glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, shadowmap).

• 立方体贴图使用以下属性设置:

  glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_ARB, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_ARB, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_ARB, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
  

(这也类似于定向阴影贴图)

• 现在glTexImage2D()迭代六次,每次面部一次.我这样做:

   for (int face = 0; face < 6; face++) // Fill each face of the shadow cubemap
       glTexImage2D(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + face, 0, GL_DEPTH_COMPONENT32F , 1024, 1024, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
  

• 通过调用将纹理附加到帧缓冲区

  glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, shadowmap, 0);
  

• 当要渲染场景时,它将以两个过程渲染,如定向阴影贴图.

• 首先,绑定阴影帧缓冲区,将视口调整为阴影贴图的大小(在这种情况下为1024×1024).
• 剔除设置在正面 glCullFace(GL_FRONT)
• 活动着色器程序切换到顶点和片段阴影着色器,我将提供进一步向下的源

• 计算所有六个视图的光视图矩阵.我是通过创建glm :: mat4和push_back()矩阵的向量来实现的,如下所示:

  // Create the six view matrices for all six sides
  for (int i = 0; i < renderedObjects.size(); i++) // Iterate through all rendered objects
  {
      renderedObjects[i]->bindBuffers(); // Bind buffers for rendering with it
  
      glm::mat4 depthModelMatrix = renderedObjects[i]->getModelMatrix(); // Set up model matrix
  
      for (int i = 0; i < 6; i++) // Draw for each side of the light
      {
          glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, shadowmap, 0);
          glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // Clear depth buffer
  
          // Send MVP for shadow map
          glm::mat4 depthMVP = depthProjectionMatrix * depthViewMatrices[i] * depthModelMatrix;
          glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shadowMappingProgram, "depthMVP"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(depthMVP));
  
          glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shadowMappingProgram, "lightViewMatrix"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(depthViewMatrices[i]));
          glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shadowMappingProgram, "lightProjectionMatrix"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(depthProjectionMatrix));
          glDrawElements(renderedObjects[i]->getDrawType(), renderedObjects[i]->getElementSize(), GL_UNSIGNED_INT, 0);
      }
  }
  

• 绑定默认帧缓冲区,并正常绘制场景.

问题

现在,对着色器.这是我的理解枯竭的地方.我完全不确定我应该做什么,我的研究似乎与彼此冲突,因为它适用于不同的版本.我最后简单地从随机源中复制和粘贴代码,并希望它能实现除黑屏之外的其他功能.我知道这很糟糕,但似乎没有任何明确的定义.我在哪些空间工作？我是否甚至需要一个单独的阴影着色器,就像我在定向点光源中使用的那样？我到底用什么作为阴影立方体贴图的类型？samplerCube？samplerCubeShadow？如何正确地对所述立方体贴图进行采样？我希望有人可以为我清理它并提供一个很好的解释.我目前对着色器部分的理解是: - 当场景被渲染到立方体贴图中时,顶点着色器简单地采用我在C++代码中计算的depthMVP均匀,并通过它们转换输入顶点.- 立方体贴图传递的片段着色器只是将单个输出值分配给gl_FragCoord.z.(这部分与我实现定向阴影贴图时没有变化.我认为它对于立方体贴图是相同的,因为着色器甚至不与立方体贴图交互 - OpenGL只是将它们的输出渲染到立方体贴图,对吧？因为它是一个帧缓冲区？)

• 用于正常渲染的顶点着色器未更改.
• 在用于法线渲染的片段着色器中,顶点位置通过光的投影和视图矩阵转换为光的空间.
• 这在某种程度上用于立方体贴图纹理查找.???
• 一旦使用魔法手段检索到深度,就将其与光与顶点的距离进行比较,就像定向阴影贴图一样.如果它更少,那么这一点必须被遮蔽,反之亦然.

这不是一个理解.关于顶点如何变换并用于查找立方体贴图,我一言不发,所以我将粘贴我的着色器的源代码,希望人们可以澄清这一点.请注意,很多代码都是盲目复制和粘贴,我没有改变任何内容以免危害任何理解.

阴影顶点着色器:

#version 150

in vec3 position;

uniform mat4 depthMVP;

void main()
{
    gl_Position = depthMVP * vec4(position, 1);
}

阴影片段着色器:

#version 150

out float fragmentDepth;

void main()
{
    fragmentDepth = gl_FragCoord.z;
}

标准顶点着色器:

#version 150

in vec3 position;
in vec3 normal;
in vec2 texcoord;

uniform mat3 modelInverseTranspose;
uniform mat4 modelMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 projectionMatrix;

out vec3 fragnormal;
out vec3 fragnormaldirection;
out vec2 fragtexcoord;
out vec4 fragposition;
out vec4 fragshadowcoord;

void main()
{
    fragposition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
    fragtexcoord = texcoord;
    fragnormaldirection = normalize(modelInverseTranspose * normal);
    fragnormal = normalize(normal);
    fragshadowcoord = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);


    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(position, 1.0);
}

标准片段着色器:

#version 150

out vec4 outColour;

in vec3 fragnormaldirection;
in vec2 fragtexcoord;
in vec3 fragnormal;
in vec4 fragposition;
in vec4 fragshadowcoord;

uniform mat4 modelMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrixInversed;

uniform mat4 lightViewMatrix;
uniform mat4 lightProjectionMatrix;

uniform sampler2D tex;
uniform samplerCubeShadow shadowmap;

float VectorToDepthValue(vec3 Vec)
{
    vec3 AbsVec = abs(Vec);
    float LocalZcomp = max(AbsVec.x, max(AbsVec.y, AbsVec.z));

    const float f = 2048.0;
    const float n = 1.0;
    float NormZComp = (f+n) / (f-n) - (2*f*n)/(f-n)/LocalZcomp;
    return (NormZComp + 1.0) * 0.5;
}

float ComputeShadowFactor(samplerCubeShadow ShadowCubeMap, vec3 VertToLightWS)
{   
    float ShadowVec = texture(ShadowCubeMap, vec4(VertToLightWS, 1.0));
    if (ShadowVec + 0.0001 > VectorToDepthValue(VertToLightWS)) // To avoid self shadowing, I guess
        return 1.0;

    return 0.7;
}

void main()
{
    vec3 light_position = vec3(0.0, 0.0, 0.0);
    vec3 VertToLightWS = light_position - fragposition.xyz;
    outColour = texture(tex, fragtexcoord) * ComputeShadowFactor(shadowmap, VertToLightWS);
}

我不记得ComputerShadowFactor和VectorToDepthValue函数代码来自哪里,因为我正在我的笔记本电脑上研究它,我现在无法做到,但这是这些着色器的结果:

这是一个被阴影空间包围的小阴影空间.

我显然在这里做了很多错,可能是以我的着色器为中心,由于缺乏关于这个主题的知识,因为我发现除了教程之外我很难学到任何东西,我很抱歉.我不知道如果有人能够清楚地解释我做错了什么,为什么它错了,我怎么能解决它甚至一些代码,这将是一件好事.我认为这个问题可能是因为我在错误的地方工作.

Answer 1

我希望为您的一些问题提供答案,但首先需要一些定义:

什么是立方体贴图？

它是从方向矢量到一对[面部,该面上的2d坐标]的映射,通过将方向矢量投影到假设立方体上而获得.

什么是OpenGL立方体贴图纹理？

这是一组六个"图像".

什么是GLSL立方体贴图采样器？

它是一个采样器原语,可以从中进行立方体贴图采样.这意味着它使用方向向量而不是通常的纹理坐标进行采样.然后硬件将方向矢量投影到假想的立方体上,并使用得到的[面部,2d纹理坐标]对在右侧2d位置采样右图像.

什么是GLSL影子采样器？

它是一个采样器原语,它被绑定到包含NDC空间深度值的纹理,并且当使用阴影特定的采样函数进行采样时,返回NDC空间深度之间的"比较"(在阴影贴图的相同空间中,显然)和NDC空间深度存储在有界纹理内.在调用采样函数时,要比较的深度被指定为纹理坐标中的附加元素.请注意,提供阴影采样器是为了便于使用和提高速度,但始终可以在着色器中"手动"进行比较.

现在,针对您的问题:

OpenGL只是渲染到立方体贴图,对吗？

不,OpenGL渲染到当前有界帧缓冲区中的一组目标.

在cubemaps的情况下,渲染它们的常用方法是:

• 创建它们并将它们的六个"图像"中的每一个附加到同一帧缓冲区(显然在不同的附着点)
• 一次只启用一个目标(因此,您在每个立方体贴图中单独渲染)
• 在立方体贴图面中渲染您想要的内容(可能使用面部特定的"视图"和"投影"矩阵)

点光阴影贴图

除了关于立方体贴图的所有内容之外,使用它们来实现点光阴影贴图还存在许多问题,因此很少使用硬件深度比较.

相反,常见的实践是:

• 而不是写NDC空间深度,写入点光源的径向距离
• 查询阴影贴图时(参见底部的示例代码):
  • 不要使用硬件深度比较(使用samplerCube而不是samplerCubeShadow)
  • 转换要在"立方体空间"中测试的点(根本不包括投影)
  • 使用"立方体空间"向量作为查找方向来对立方体贴图进行采样
  • 比较立方体贴图采样的径向距离和测试点的径向距离

示例代码

// sample radial distance from the cubemap
float radial_dist = texture(my_cubemap, cube_space_vector).x;

// compare against test point radial distance
bool shadowed = length(cube_space_vector) > radial_dist;