阴影贴图：原理、算法与优化

什么是阴影贴图

阴影贴图（Shadow Mapping）是一种实时阴影生成技术，广泛应用于游戏和实时渲染。其基本思想是从光源视角渲染场景的深度信息到一张纹理（阴影贴图），然后在主渲染中，将每个像素转换到光源空间，比较其深度与阴影贴图中的深度，如果像素深度大于阴影贴图深度，则该像素处于阴影中。

阴影贴图的原理

阴影贴图通常分为两个 Pass：

1. **阴影 Pass**：从光源位置渲染场景，只写入深度，得到阴影贴图。对于方向光，使用正交投影；对于点光源，使用透视投影或立方体贴图（六面）。
2. **主渲染 Pass**：正常渲染场景，在片段着色器中，将世界坐标转换到光源空间，采样阴影贴图，比较深度。如果当前片元深度大于阴影贴图中对应深度（加上偏移），则片元在阴影中，光照减弱。

常见问题

阴影痤疮（Shadow Acne）

由于深度缓冲精度有限，表面被自身误判断为阴影，产生条纹或斑点。解决方法：使用深度偏移（Depth Bias）和法线偏移（Normal Offset），在比较深度时添加一个小偏移。

彼得潘现象（Peter Panning）

偏移过大导致阴影与物体分离，阴影漂浮。需要调整偏移量。

阴影锯齿（Aliasing）

阴影贴图分辨率有限，边缘出现锯齿。解决方法：使用百分比渐近滤波（PCF）进行软阴影，或提高阴影贴图分辨率。

阴影贴图精度

阴影贴图使用深度纹理，精度有限，远处可能产生 Z-fighting。可以使用级联阴影贴图（CSM）提高方向光在大场景中的精度。

优化方法

• **级联阴影贴图（Cascaded Shadow Maps, CSM）**：将视锥体划分为多个区域，每个区域使用不同分辨率的阴影贴图，提高近处阴影质量。
• **紧配合光源视锥**：调整光源投影范围以紧密包围场景，提高阴影贴图利用率。
• **使用低分辨率阴影贴图**：对于远处或小物体，可以降低阴影贴图分辨率。
• **阴影距离限制**：超出一定距离不渲染阴影。
• **缓存静态阴影**：烘焙静态物体的阴影到光照贴图。

在引擎中的应用

• **Unity**：使用 Shadow Map 技术，支持 CSM、软阴影、阴影距离等设置。
• **Unreal**：使用 Shadow Map 和 Ray Traced Shadows，支持多种优化。

常见问题

阴影贴图和光线追踪阴影有什么区别？

阴影贴图是基于深度比较的近似方法，存在精度问题；光线追踪阴影通过投射光线精确计算，效果更好但性能开销大。

为什么阴影贴图需要深度偏移？

因为深度缓冲精度有限，深度偏移可以避免表面自阴影（阴影痤疮）。

点光源如何生成阴影贴图？

点光源通常使用立方体阴影贴图，从六个方向渲染深度，或使用单通道双抛物面映射。

移动端如何优化阴影？

移动端可以使用低分辨率阴影贴图、限制阴影距离、使用简单的硬阴影或关闭阴影。

CSM 是什么？

级联阴影贴图，将视锥体分为多个区域，每个区域使用不同分辨率阴影贴图，平衡近处和远处的阴影质量。