159 lines
8.5 KiB
Markdown
159 lines
8.5 KiB
Markdown
# Shadow mapping
|
|
Cienie są ważnym elementem oświetlenie. Dodają realizmu do sceny i dzięki nim łatwiej jest graczowi zorientować się w przestrzennym rozłożeniu obiektów.
|
|
|
|
Na powyższym obrazku możesz zobaczyć, że dużo łatwiej jest okreśłić położenie kostek, gdy rzucają one cienie. Podstawową techniką generowania cieni jest **shadow mapping** i wiele bardziej zaawansowanych technik na niej bazuje.
|
|
|
|
Składa się on z dwóch kroków. W pierwszym obliczamy mapy głębokości z perspektywy źródła światła i zapisaniu do tekstury (tą teksturę nazywamy *shadowmap*), w drugim przy rysowaniu fragmentu porównujemy jego odległość do źródła światła z odległością zapisaną w teksturze.
|
|
|
|
Celem tych zajęć będzie dodanie cieni do początkowej sceny. W obecnym projekcie są 3 źródła światła: światło słoneczne, reflektor samolociku i lampa planetarna. W trakcie zajęć skupimy się na świetle słonecznym.
|
|
|
|
## Mapa głębokości - Framebuffers
|
|
Framebuffer to obiekt, do którego rednerowana jest scena w postaci tekstury. Do tej pory korzystaliśmy z domyślnego Famebuffora, który był wyświetlany na ekranie. Teraz potrzebujemy dodatkowy, który będzie przechwytywał mapę głębokości. Tworzymy go w następujący sposób
|
|
|
|
```C++
|
|
glGenFramebuffers(1, &depthMapFBO);
|
|
```
|
|
Zmienna `depthMapFBO` jest jak to typu `unsignet int` i powinna być dostępna globalnie. Kolejnym krokiem jest stworzenie tekstury głębokości
|
|
```C++
|
|
glGenTextures(1, &depthMap);
|
|
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
|
|
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT,
|
|
SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
|
|
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
|
|
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
|
|
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
|
|
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
|
|
```
|
|
Również zmienna `depthMap` jest jak to typu `unsignet int` i powinna być dostępna globalnie.
|
|
Tworzymy teksturę, zaznaczamy, że jest to tekstura głębokości nadając jej format `GL_DEPTH_COMPONENT`. Parametry `SHADOW_WIDTH`, `SHADOW_HEIGHT` są ustalone globalnie i oba wynoszą 1024.
|
|
|
|
I w końcu podpinamy teksturę pod FBO.
|
|
```C++
|
|
|
|
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
|
|
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, depthMap, 0);
|
|
glDrawBuffer(GL_NONE);
|
|
glReadBuffer(GL_NONE);
|
|
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
|
|
```
|
|
|
|
### Zadanie
|
|
Utwórz funkcję `initDepthMap`, w której zainicjalizujesz mapę głębokości. Wywołaj ją w funkcji `init`.
|
|
|
|
### Renderowanie mapy głębokości
|
|
|
|
W tej części będziemy uzupełniać funkcję `renderShadowapSun`. Funkcja ma za zadanie zapisać w FBO mapę głębokości z perspektywy słońca.
|
|
Pierwsze co musimy mieć, to parę shaderów, która będzie renderować mapę. Ponieważ jedyne co potrzebujemy tylko rozmieścić obiekty w odpowiednich miejscach.
|
|
Shader wierzchołków ustawia tylko pozycję w oparciu o przesyłanie macierze.
|
|
```C++
|
|
#version 430 core
|
|
|
|
layout(location = 0) in vec3 vertexPosition;
|
|
layout(location = 1) in vec3 vertexNormal;
|
|
layout(location = 2) in vec2 vertexTexCoord;
|
|
|
|
uniform mat4 viewProjectionMatrix;
|
|
uniform mat4 modelMatrix;
|
|
|
|
void main()
|
|
{
|
|
gl_Position = viewProjectionMatrix * modelMatrix * vec4(vertexPosition, 1.0);
|
|
}
|
|
```
|
|
Natomiast shader fragmentów jest pusty, ponieważ nic nie wysyłamy a głębokość zapisywana jest automatycznie.
|
|
```C++
|
|
#version 430 core
|
|
|
|
void main()
|
|
{
|
|
}
|
|
```
|
|
### Zadanie
|
|
Dodaj utwórz parę shaderów jak powyżej, załaduj je do zmiennej globalnej o nazwie `programDepth` i aktywuj go w funkcji `renderShadowapSun`. Utwórz funkcję `drawObjectDepth`. która będzie przyjmować referencję do `RenderContext`, macierz `viewProjection` i macierz modelu oraz przesyłać macierze do GPU i rysować `RenderContext`
|
|
|
|
Musimy zdefiniować macierz widoku i rzutowania, które mamy przesłać. Implementujemy cienie dla oświetlenia kierunkowego, gdzie dla każdego punktu kierunek światła jest taki sam. W takim wypadku skorzystamy z rzutowania prostopadłego.
|
|
|
|
|
|
Do stworzenia macierzy rzutowania perspektywicznego wykorzystamy funkcję:
|
|
```C++
|
|
glm::mat4 lightProjection = glm::ortho(
|
|
float left,
|
|
float right,
|
|
float bottom,
|
|
float top,
|
|
float zNear,
|
|
float zFar
|
|
)
|
|
```
|
|
Tworzy ona macierz rzutowania prostopadłego dla zadanych wymiarów. Musimy tak je dobrać, żeby rzutowanie zawierało całą interesującą scenę. Za małe wartości spowodują artefakty a za duże pogorszą jakość. Przykładowo możesz wziąć `glm::ortho(-10.f, 10.f, -10.f, 10.f, 1.0f, 30.0f)`.
|
|
Do stworzenia macierzy kamery wykorzystamy funkcję `glm::lookAt` z poniższymi argumentami argumentami
|
|
```C++
|
|
glm::lookAt(sunPos, sunPos - sunDir, glm::vec3(0, 1, 0))
|
|
```
|
|
### Zadanie
|
|
Uzupełnij funkcję `renderShadowapSun`. Wywołaj w niej instrukcje
|
|
```C++
|
|
//ustawianie przestrzeni rysowania
|
|
glViewport(0, 0, SHADOW_WIDTH, SHADOW_HEIGHT);
|
|
//bindowanie FBO
|
|
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthMapFBO);
|
|
//czyszczenie mapy głębokości
|
|
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
|
|
//ustawianie programu
|
|
glUseProgram(programDepth);
|
|
```
|
|
Stwórz macierz `viewProjection`
|
|
```C++
|
|
glm::mat4 lightVP = glm::ortho(-10.f, 10.f, -10.f, 10.f, 1.0f, 30.0f) * glm::lookAt(sunPos, sunPos - sunDir, glm::vec3(0, 1, 0));
|
|
```
|
|
następnie wywołaj `drawObjectDepth` dla każdego obiektu, który rysujemy w naszej scenie. wykorzystaj macierz `viewProjection` zdefiniowaną wyżej, użyj tej samej macierzy modelu co przy właściwym rysowaniu.
|
|
|
|
Zakończ funkcję linią `glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);`, która przywraca domyślny FBO.
|
|
|
|
### Wizualizacja mapy głębokości
|
|
odkomentuj linie:
|
|
```C++
|
|
//glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
|
|
//glUseProgram(programTest);
|
|
//glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
|
|
//glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
|
|
//Core::DrawContext(models::testContext);
|
|
```
|
|
znajdujące się w `renderScene`. Rysują one prostokąt z mapą głębokości jako teksturą. Jeżeli wszystko zostało wykonane poprawnie, to powinien on zawierać rzutowanie naszego pokoju.
|
|
|
|
### Zadanie
|
|
W tej chwili rzutowanie jest nieoptymalne. popraw je na lepsze. Zmodyfikuj wartości w `glm::ortho(-10.f, 10.f, -10.f, 10.f, 1.0f, 30.0f)` do takich, żeby pokój wypełniał jak największą część tekstury.
|
|
|
|
### Rysowanie cieni
|
|
Na tym etapie powinniśmy mieć poprawnie stworzoną mapę głębokości. Pozostaje wykorzystać ją w oświetleniu.
|
|
### Zadanie
|
|
#### Przesłanie danych
|
|
W funkcji `drawObjectPBR` prześlij teksturę za pomocą instrukcji:
|
|
```C++
|
|
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
|
|
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthMap);
|
|
```
|
|
oraz macierz `LightVP`, która musi być taka sama jak w `drawObjectDepth`.
|
|
|
|
Następnie w shaderze wierzchołków odbierz `LightVP`.
|
|
|
|
#### Shader wierzchołków
|
|
Oblicz pozycję wierzchołka z perspektywy słońca `sunSpacePos=LightVP*modelMatrix*vec4(vertexPosition,1)`, wynik prześlij do shadera fragmentów
|
|
#### Shader fragmentów
|
|
odbierz `sunSpacePos` i napisz funkcję `calculateShadow`, która sprawdza czy obiekt jest zacieniony. Aby to zrobić kolejno w funkcji:
|
|
* ujednorodnij zmienną `lightSpacePos` dzieląc ją przez współrzędną **w**,
|
|
* przeskaluj ją, ma wartości od -1 do 1 a potrzebujemy wartości od 0 do 1 (pomnóż przez 0.5 i dodaj 0.5) wynik zapisz do zmiennej `lightSpacePosNormalized`,
|
|
* pobierz głębokość z `depthMap` próbkuj za pomocą współrzędnych **x** i **y**. Pobierz tylko kanał `r`, zapisz go do zmiennej `closestDepth`,
|
|
* porównaj `closestDepth` ze współrzędną **z** `lightSpacePosNormalized`. jeżeli `closestDepth` jest większa zwróć 1.0, w przeciwnym wypadku zwróć 0.0.
|
|
* wynik funkcji przemnóż z `sunColor` w trakcie oblicznia.
|
|
```
|
|
ilumination=ilumination+PBRLight(sunDir,sunColor,normal,viewDir);
|
|
```
|
|
#### shadow acne
|
|
Powinniśmy dostać cienie , jednak w niezacienionych strefach pojawiły się paski, które znane są jako *shadow acne* wynikają one z błędu przybliżenia liczb zmiennoprzecinkowych. Można się go pozbyć na dwa sposoby
|
|
1. dodać bias. zamiast sprawdzać `closestDepth<lightSpacePosNormalized` można wziąć `closestDepth+bias>lightSpacePosNormalized`, gdzie `bias` to mała wartość (np 0.01).
|
|
2. innym rozwiązaniem jest, żeby przy renderowaniu cieni włączyć front face culling. dzięki temu rysowane będą część modelu, które są dalej niż te, które odpytujemy.
|
|
|
|
### Zadanie*
|
|
Dodaj rysowane cieni również dla latarki doczepionej do statku. pamiętaj, że musisz wykorzystać tutaj macierz rzutowania perspektywicznego
|