动态阴影映射：使用Shadow Mapping实现逼真光影效果

在计算机图形学中，阴影映射（Shadow Mapping）是一种用于生成动态阴影的技术。这种技术允许我们在3D场景中实时地生成和渲染阴影，为游戏和电影等视觉媒体提供逼真的光影效果。

基本原理

Shadow Mapping的基本思想是将光源的视角作为一个相机，对场景进行渲染，并将结果保存为一张深度纹理（Depth Texture）。然后，从观察者的视角渲染场景时，对于每个需要计算阴影的像素，我们检查其在光源深度纹理中的对应位置是否具有比当前像素更深的深度值。如果是，那么该像素就处于阴影中。

实现步骤

1. 创建光源相机：首先，我们需要为光源创建一个虚拟的相机。这个相机的位置、方向和视野（FOV）应与光源相同。
2. 渲染深度纹理：使用光源相机渲染场景，但只保存深度信息。这将生成一个深度纹理，其中每个像素存储了从光源到场景中对应点的最近距离。
3. 阴影映射：在渲染场景时，对于每个像素，使用其位置（在光源空间下）从深度纹理中查找对应的深度值。如果场景中的实际深度大于这个值，那么该像素就处于阴影中。
4. 阴影柔和：为了使阴影边缘更柔和，我们可以使用PCF（Percentage Closer Filtering）或PCF的改进版本，如百分比最近邻滤波（Percentage Closer Soft Shadows）。
5. 优化和扩展：为了提高性能和效果，可以使用如阴影贴图级联（Shadow Map Cascading）、自适应阴影分辨率和实时阴影地图更新等技术。

代码示例

以下是使用OpenGL和GLSL实现Shadow Mapping的基本伪代码示例：

// 在顶点着色器中，将顶点从模型空间变换到光源空间
lightSpacePos = lightSpaceMatrix * vec4(position, 1.0);
// 在片元着色器中，根据深度纹理计算阴影
float shadow = texture(shadowMap, lightSpacePos.xy).r;
if (lightSpacePos.z > shadow) {
    shadow = 0.0; // 在阴影中
} else {
    shadow = 1.0; // 不在阴影中
}
// 计算最终颜色，考虑阴影
FragColor = lightColor * shadow * texture(textureMap, TexCoords).rgb;

总结

Shadow Mapping是一种高效且易于实现的动态阴影生成技术。虽然它在某些情况下可能会产生锯齿状的阴影边缘，但通过如PCF等技术，我们可以轻松地改进这一点。此外，结合其他技术，如光源遮挡、阴影贴图级联等，我们可以进一步提高阴影的质量和性能。

希望本文能帮助你理解并实现Shadow Mapping技术，为你的3D项目添加逼真的光影效果。