处理透视阴影贴图深度值的非线性答案

【问题标题】：Dealing with the non-linearity of perspective shadowmap depth values处理透视阴影贴图深度值的非线性
【发布时间】：2021-03-24 18:07:28
【问题描述】：

我已经在 GLSL 中实现了shadow maps，方法是将视图从灯光渲染到深度纹理中，然后在第二遍比较这些值时从相机视图渲染我的几何体。

在缩写代码中，第二个（主）渲染通道的顶点着色器是：

...
gl_Position = camviewprojmat * position;
shadowcoord = lightviewprojmat * postion;
...

和片段着色器我在阴影纹理中查找此shadowcoord texel，以查看光线是否看到相同的东西（照亮）或更接近的东西（阴影）。这是通过将GL_TEXTURE_COMPARE_MODE 设置为GL_COMPARE_REF_TO_TEXTURE 来完成的深度纹理。

这对于具有正交投影的灯光非常有用。但是一旦我使用透视投影来创建广角聚光灯，我就会在图像中遇到错误。

我已经确定我的问题的原因是插入不正确的深度值shadowcoord.z / shadowcoord.w，由于透视投影，它不是线性的。然而，三角形上的插值是线性的。

在顶点位置，深度值是准确确定的，但顶点位置之间的片段会得到错误的深度插值值。

下图显示了这一点。黄色的十字准线是光的位置，它是一个向下看的聚光灯。颜色编码是从 -1（红色）到 +1（蓝色）的光深度。

中间的柱子从上到下有长长的三角形，所有插值的光深度值都相差很多。

左边的楼梯有更多的顶点位置，所以它对非线性深度的采样更准确。

我用于聚光灯的项目矩阵是这样创建的（我使用 170 度的超广角）：

        // create a perspective projection matrix
        const float f = 1.0f / tanf(fov/2.0f);
        const float aspect = 1.0f;
        float* mout = sl_proj.data;

        mout[0] = f / aspect;
        mout[1] = 0.0f;
        mout[2] = 0.0f;
        mout[3] = 0.0f;

        mout[4] = 0.0f;
        mout[5] = f;
        mout[6] = 0.0f;
        mout[7] = 0.0f;

        mout[8] = 0.0f;
        mout[9] = 0.0f;
        mout[10] = (zFar+zNear) / (zNear-zFar);
        mout[11] = -1.0f;

        mout[12] = 0.0f;
        mout[13] = 0.0f;
        mout[14] = 2 * zFar * zNear /  (zNear-zFar);
        mout[15] = 0.0f;

如何处理光深度缓冲区中的这种非线性？是否可以有具有线性深度值的透视投影？我应该以不同的方式计算我的阴影坐标吗？事后可以改正吗？

注意：我确实考虑过在片段着色器中进行投影，但由于场景中有很多灯光，所以在片段着色器中进行所有这些矩阵乘法的计算成本太高。

【问题讨论】：

标签： glsl depth-buffer perspectivecamera shadow-mapping

【解决方案1】：

这个stackoverflow answer 描述了如何做一个线性深度缓冲。

它需要在顶点着色器中写出深度(modelviewprojmat * position).z，然后在片段着色器中计算线性深度：

gl_FragDepth = ( depth - zNear ) / ( zFar - zNear );

使用线性深度缓冲区，片段插值器可以正常工作。

【讨论】：