ShadowMap & ShadowVolume

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【ShadowMap】

　　一個物體之所以會處在陰影當中，是由於在它和光源之間存在著遮蔽物，或者說遮蔽物離光源的距離比物體要近，這就是 shadow mapping 演算法的基本原理。

　　Pass1: 以光源為視點，或者說在光源座標系下面對整個情境進行渲染，目的是要得到一副所有物體相對於光源的 depth map （也就是我們所說的shadow map），也就是這副映像中每個象素的值代表著情境裡面離光源最近的 fragment 的深度值。由於這個pass中我們感興趣的只是象素的深度值，所以可以把所有的光照計算關掉，開啟 z-test 和 z-write 的 render state 。

　　Pass2: 將視點恢複到原來的正常位置，渲染整個情境，對每個象素計算它和光源的距離，然後將這個值和 depth map中相應的值比較，以確定這個象素點是否處在陰影當中。然後根據比較的結果，對 shadowed fragment 和 lighted fragment 分別進行不同的光照計算，這樣就可以得到陰影的效果了。 

　　從上面的分析可以看出來，depth map的渲染只和光源的位置以及情境中物體的位置有關，無論視點怎麼運動，只要光源和物體的相互位置關係不變，shadow map就可以被重複使用，因此對於沒有動態光源的情境，shadow mapping 是很明智的一種選擇。

【ShadowVolume】

1、z-pass 演算法。

　　z-pass 是 shadow volume 一開始的標準演算法，用來確定某一個象素是否處於陰影當中。其原理是：

　　Pass1：enable z-buffer write ，渲染整個情境，得到關於所有物體的 depth map 。注意這裡的 depth map 和 shadowmapping 裡面的區別是 shadow volume 裡面的 depth map 是以真實視點作為視點得到的，而 shadowmapping 裡面的 depth map 是以光源為視點得到的。

　　Pass2：disable z-buffer write ，enable stencil buffer write，然後渲染所有的 shadow volume 。對於 shadow volume 的 front face( 既面對視點的這一面 ) ，如果 depth test 的結果是 pass，那麼和這個象素對應的 stencil 值加1，否則stencil 值不變。而對於 shadow volume 的 back face(遠離視點的一側 ) ，如果 depth test 的結果是 pass，stencil 值減1，否則保持不變。

　　用一句簡單的話來概括 z-pass的演算法就是從視點向物體引一條視線，當這條射線進入 shadow volume 的時候， stencil 值加1，而當這條射線離開 shadowvolume 的時候，stencil 值減1。如果 stencil 值為零，則表示實現進入和離開 shadow volume的次數相等，自然就表示物體不在 shadow volume 內了。

　　

　　Pass3：第二步完成以後，根據每個象素的 stencil 值判斷其是否處於陰影當中（如果 stencil 的值大於零，則這個象素在 shadow volume 內，否則在 shadow volume 的外面），然後據此繪製陰影製作效果。

2、Z-Pass的問題。

　　以上的討論都是基於視點在 shadow volume 外面的情況。在這個條件可以得到滿足的情況下，z-pass 演算法工作的很好，不過一旦視點進入到了 shadow volume 裡面，z-pass 演算法就會立即失效。 　　

　　

3、Z-Fail演算法。

　　Z-Fail 演算法是 John Carmack，Bill Bilodeau 和 Mike Songy 各自獨立發明的，其目的就是解決視點進入 shadow volume 後 z-pass 演算法失效的問題。

　　Pass1：enable z-write/z-test, 渲染整個情境，得到 depth map 。 ( 這一步和 z-pass 的完全一樣 )

　　Pass2：disable z-write, enable z-test/stencil-write 。渲染 shadow volume, 對於它的 back face ，如果 z-test 的結果是fail, stencil 值加1，如果 z-test 的結果是 pass，stencil 值不變。對於 front face，如果z-test 的結果是 fail，stencil 值減1 ，如果結果是 pass，stencil 值不變。

　　

　　Z-Fail演算法其目的就是解決視點進入 shadow volume 後 z-pass 演算法失效的問題。

參考：http://blog.163.com/wmk_2000_ren/blog/static/138846192201019114117466/