ShadowVolume

ShadowVolume是从光源沿着模型边缘拉伸至无限远处，与前盖（投射阴影的对象）和后盖（接收阴影的对象）组合成的网格。
只有在ShadowVolume内部的物体，才具有阴影。
z-pass算法
- pass1：打开深度测试，渲染整个场景，得到深度图。
- pass2：打开模板测试，并设置为Always Pass，关掉深度和颜色写入，渲染ShadowVolume网格。
  - 深度测试通过时：若是front faces，则stencil value +1；若是back faces，则stencil value -1。
- pass3：pass2中stencil value不为0的像素即为阴影区域，据此绘制阴影。
- 缺陷：视点位于阴影锥内时会得到错误的结果。
z-fail算法
- pass1和pass3与z-pass算法保持一致。
- pass2改为：
  - 深度测试失败时：若是front faces，则 stencil value -1；若是back faces，则stencil value +1。
- 修复了z-pass算法的缺陷，但ShadowVolume必须是闭合的。
ShadowVolume阴影依赖Stencil Buffer实现，没有锯齿，但计算ShadowVolume会占用较多的CPU耗时，几何体也必须是闭合的，有一定限制。

ShadowMap

ShadowMap的实现

主要分为两个步骤：
- 步骤1：在光照空间中渲染投影对象，写入深度，得到ShadowMap。
- 步骤2：在相机空间正常渲染对象，将渲染对象的坐标转换到光照空间中，将其相对光源的距离与其在Shadow Map中的深度值进行比较，若其距离更大，则在阴影中。
光照空间视锥的计算：
- 将世界空间视锥的8个顶点，变换到光照空间，计算出根据最远和最近的z值，再计算出AABB的边界。
- 还会根据整个场景的AABB空间，对得到的光照空间视锥进行扩展，使其能覆盖到可能产生阴影的物体。
补充：
- 对于平行光源，需要用正交投影来计算深度。
- 对于锥形光源，需要沿其光照方向生成ShadowMap。
- 对于点光源，为了能保存各个方向的深度值，需要使用cube map。

ShadowMap的锯齿问题

ShadowMap是在光照空间中计算的，在相机空间近处观察时，或在斜面上渲染阴影时，可能会因为两个空间中的像素比例存在较大差距而产生锯齿。
解决方案：
- Perspective Warping（透视扭曲），通过修改光照空间的投影矩阵，来为视锥近处的对象阴影提供更高的精度。但其在相机移动时非常不稳定，目前已经被彻底淘汰。
- Cascaded Shadow Maps（CSM，级联阴影），将视锥分割成数个部分，每个部分单独生成一张ShadowMap，最后组合成一张Atlas。

ShadowMap的自阴影走样问题

ShadowMap中存储的深度值和阴影接收对象的深度值可能是相同的，但由于ShadowMap的精度限制，会在比较深度值时产生误差，出现摩尔纹的问题。
解决方式：
- 使用ShadowBias，对采样时的深度值，沿着光照的方向进行偏移（一般是在vertex shader中添加bias来偏移计算出的ShadowMap深度值）。
  - 有三种偏移方式：常量偏移、斜率偏移、法线偏移。（Unreal中是常量+斜率，Unity中是常量+法线）。
- 将物体背面的深度写入ShadowMap，也可以避免深度冲突的问题，但要求使用的模型必须是正确封闭的而且也不能太薄，有着很大的限制，不太通用。

ShadowMap的软阴影

PCF

Percentage-Closer Filtering
硬件PCF：在目标采样点周围，进行四次采样，并根据其深度测试的结果（0或1），进行加权平均。
优化：使用预先算好的Possion（泊松分布）的采样点进行采样，并使用逐像素的噪声值对采样点进行旋转，让相邻像素的采样模式都不同，使半影区域更加平滑。
缺陷：半影的宽度非常固定。

PCSS

Percentage-Closer Soft Shadows
PCSS会通过判断半影到遮挡物和半影到光源的距离，来动态确定半影的宽度。
半影的宽度越大，采样阴影的kernel分布也越大，得到的阴影也越柔和。
但半影宽度非常大时，需要的采样点也非常多，采样ShadowMap的开销也会变大，是一种不太稳定的软阴影方案。

左：硬阴影，中：PCF，右：PCSS

Filterable ShadowMap

Filterable ShadowMap也是一类软阴影的实现方案。
在采样非常软的阴影时，相对PCF，有性能优势，但在硬阴影下，性能反而会下降。
而且还需要考虑硬件兼容，以及漏光等边界条件，一般只在静态烘焙阴影中使用。

VSM

Variance Shadow Map，方差阴影图
使用两张ShadowMap，分布存储深度值和深度值的平方。
将两张ShadowMap进行mipmap处理（或者使用双pass高斯模糊），再使用切比雪夫不等式计算阴影系数。
在复杂光照环境下，可能会出现漏光的问题。

ESM

Exponential Shadow Map，指数阴影图
将到光源的距离d，与当前方向上最近的遮挡物的距离z，进行相减，再乘上系数c并作为阴影系数的指数。
将其结果替代原本的遮挡结果（0或1），再进行PCF的计算。

EVSM

Exponential Variance Shadow Map，指数方差阴影图
在使用VSM的前，将深度使用一个指数函数进行处理，可以得到一个更好的阴影效果。
是一种对VSM的改进，但需要用到4张ShadowMap。

ShadowMap相关的技术

Stabilize CSM

移动相机时，相机的视锥发生改变，光照空间的视锥也会发生改变，需要重新计算，容易造成两帧的阴影位置不一致，产生阴影的闪烁问题。
Stabilize CSM将相机的移动分为两个部分来处理：
- 旋转：根据相机空间的视锥计算出球形的bound volume，用其算出光照空间的视锥，这样，当我们沿着球体中心旋转时，光照空间的视锥是不变的。
- 平移：通常会取世界空间的零点作为参考点，变换到ShadowMap的坐标中，后续通过偏移投影矩阵，确保前后两帧得到的ShadowMap坐标对齐于同一像素。

CSM Cache

降低远处CSM的更新频率。
将CSM中算出的阴影进行动态缓存，上一帧静态物体的ShadowMap经过一些处理，在当前帧仍然可用，只需绘制未覆盖区域的阴影。

Virtual Shadow Map

TODO

ShadowMap和ShadowMask

都是阴影贴图。
ShadowMask在编辑器下预计算（烘培）生成，专门用于静态物体。
ShadowMap在运行时计算生成，可以用于所有物体。

其它的阴影方案

贴图阴影

直接将阴影做成一张贴图，贴在角色的脚下。

平面投射阴影

将需要投射阴影的对象再渲染一次，根据平面的位置，计算出投射的矩阵，将物体的坐标变换到平面上。
通常有两种渲染顺序：
- 先渲染阴影，再渲染地面和投影对象，需要设置depthBias，否则地面和阴影之间可能会产生深度冲突。
- 先渲染地面，再渲染阴影（关闭深度测试），最后再渲染投影对象。
平面投射阴影是将阴影的颜色与阴影接收对象的颜色进行混合，并不是真实的阴影。

Modelated Shadow

调制阴影
将投影对象的AABB转换到光照空间，再将其深度渲染到一张ShadowMap中。
将光照空间的AABB沿着光照方向进行延长，得到一个ShadowVolume。
将ShadowVolume作为几何体进行渲染，用_CameraDepthTexture获取当前位置的深度值，反算出世界坐标。
再根据世界坐标算出光照空间下的坐标，在ShadowMap中进行采样，获取阴影。
Modelated Shadow是Per-Object方式的动态阴影，可以提升角色的阴影精度。

Contact Shadow

接触阴影
利用深度构建三维空间，从当前绘制像素往Light方向做RayMarching。
判断每个step的深度是否有邻近深度，若有，则表明被这个深度值所对应的几何遮挡了，从而判定在阴影内。

基于SDF的阴影

Signed Distance Field，有向距离场
每个像素记录自己与距离自己最近物体之间的距离。
如果在物体内，则距离为负；在物体边界，则为0；在物体外，则距离为正。
需要一组中间过程图，并对每张图生成对应的SDF图，然后利用SDF进行插值，得到最后的阴影结果。

Capture Shadow

又称Capture AO
用胶囊体对动态物体进行模拟，以实现非直接光照环境下的动态软影模拟。
需要用球谐函数SH计算环境光和方向光两个分量。

半透物体的阴影

主要是利用抖动实现半透明的效果。