11-阴影入门：Shadow Map 的最小实现与常见伪影¶

目标¶

做出第一个可用阴影：Shadow Map 最小闭环（两遍渲染）
搞清楚“阴影贴图”存的到底是什么（深度），以及怎么比较
认识并能解释三类经典伪影：Shadow Acne、Peter Panning、边缘锯齿

先决条件¶

已完成 10-光照基础：Lambert/Phong/Blinn-Phong 与能量直觉
会使用 FBO 的基本概念（本章会给最小落地）

1. Shadow Map 的核心直觉¶

阴影不是“画一张黑色纹理贴上去”。它更像一次“从光源视角出发的可见性测试”：

从光源看过去，每个方向上离光源最近的表面会记录一个深度值
当你从相机视角渲染时，对每个片元做同样的“从光源看过去”的深度比较
如果当前片元比记录的深度更远，说明被挡住 → 在阴影里

你只需要记住一句话：

阴影贴图存的是“从光源看过去的深度”，不是颜色。

2. 最小闭环：两遍渲染¶

Pass A：从光源视角渲染深度到一张 depth texture¶

目标：得到 shadowMap（一张深度纹理）
只需要写入深度，不输出颜色

Pass B：从相机视角正常渲染¶

正常做光照
在 fragment 里采样 shadowMap，做深度比较，得到 shadow factor

3. 光源空间：lightView/lightProj/lightSpaceMatrix¶

对于方向光，常用正交投影；点光需要立方体贴图阴影，本章先做方向光。

lightSpaceMatrix：

lightSpace = lightProj * lightView

你会把顶点位置变换到光源裁剪空间，然后在 fragment 做比较。

4. Depth FBO（概念级最小落地）¶

你需要：

一个 FBO
一个 depth texture 作为附件
关闭颜色输出（只渲深度）

关键 OpenGL 状态（示意）：

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, depthFBO)
glViewport(0,0,shadowW,shadowH)
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
绘制场景（使用 depth-only shader）

然后回到默认 framebuffer 再正常渲染。

5. 阴影比较（概念示意）¶

在 fragment shader，你需要：

把世界位置变换到 light clip space
做齐次除法得到 NDC
映射到 0..1 得到 shadow map 的采样坐标
取出 shadow depth，与当前 depth 比较

你很快会发现阴影“不是二值的”，否则边缘会很锯齿，所以通常会做 PCF（多次采样平均）。

6. 三大伪影与最小修复策略¶

6.1 Shadow Acne（阴影痤疮）¶

现象：本来应该亮的面上出现密集的自阴影条纹。

本质：深度比较的数值误差 + 法线方向导致的偏差不够。

最小修复：

在比较时加 bias（偏移）
bias 随法线与光方向夹角变化（斜面需要更大 bias）

6.2 Peter Panning（漂浮）¶

现象：物体阴影与物体分离，像悬空。

本质：bias 太大。

最小修复：

减小 bias
结合 PCF，尽量用更小 bias

6.3 边缘锯齿/抖动¶

现象：阴影边缘很粗糙或随着镜头移动抖。

常见原因：

shadow map 分辨率不够
light 投影范围过大（把精度摊薄了）
未做 PCF

最小修复：

增加 shadow map 分辨率（先粗暴有效）
缩小方向光的投影范围（更重要、更根本）
加 PCF

常见坑¶

忘了恢复 viewport：从 shadow pass 回来后，画面比例/清屏会异常
光源投影范围过大：阴影像素被摊薄，边缘像马赛克
只在某些角度有阴影：lightSpace 变换或 NDC→UV 映射错

小练习¶

练习 1：把阴影强度做成可调参数¶

题目：加一个 uShadowStrength，在阴影处做 mix(lit, shadowed, strength)
目标：把阴影从“硬开关”变成可调效果

练习 2：做 PCF 并对比¶

题目：实现 3x3 PCF，观察边缘改善与性能代价
目标：理解“软阴影”在工程上如何取舍

小结¶

Shadow Map = 从光源视角记录深度，再在相机视角做深度比较
两遍渲染是最小闭环：depth pass + lighting pass
三大伪影的应对顺序：先调投影范围，再调 bias，再做 PCF

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