WebGL Всенаправленный Shadow Mapping Issue

Прежде всего, я хочу сказать, что я прочитал много постов о теневом отображении с использованием карт глубины и кубических карт, и я понимаю, как они работают, а также у меня есть опыт работы с ними с использованием OpenGL, но у меня есть проблема с реализацией Всенаправленная техника Shadow Mapping с использованием одноточечного источника света в моем 3D графическом движке под названием «EZ3». Мой движок использует WebGL в качестве API для трехмерной графики и JavaScript в качестве языка программирования, это для моей дипломной работы в области компьютерных наук.

По сути, именно так я реализовал свой алгоритм отображения теней, но я сосредоточусь только на случае точечных источников света, потому что с их помощью я могу архивировать всенаправленное отображение теней.

Во-первых, я активная выборка переднего лица, как это:

if (this.state.faceCulling !== Material.FRONT) {
    if (this.state.faceCulling === Material.NONE)
      gl.enable(gl.CULL_FACE);

    gl.cullFace(gl.FRONT);
    this.state.faceCulling = Material.FRONT;
  }

Во-вторых, я создаю программу глубины для записи значений глубины для каждой грани кубической карты, это мой программный код глубины в GLSL 1.0:

Вершинный шейдер:

precision highp float;

attribute vec3 position;

uniform mat4 uModelView;
uniform mat4 uProjection;

void main() {
  gl_Position = uProjection * uModelView * vec4(position, 1.0);
}

Фрагмент шейдера:

precision highp float;

vec4 packDepth(const in float depth) {
  const vec4 bitShift = vec4(256.0 * 256.0 * 256.0, 256.0 * 256.0, 256.0, 1.0);
  const vec4 bitMask = vec4(0.0, 1.0 / 256.0, 1.0 / 256.0, 1.0 / 256.0);
  vec4 res = mod(depth * bitShift * vec4(255), vec4(256)) / vec4(255);
  res -= res.xxyz * bitMask;
  return res;
}

void main() {
  gl_FragData[0] = packDepth(gl_FragCoord.z);
}

В-третьих, это тело моей функции JavaScript, которое «архивирует» всенаправленное отображение теней

program.bind(gl);

  for (i = 0; i < lights.length; i++) {
    light = lights[i];

    // Updates pointlight's projection matrix

    light.updateProjection();

    // Binds point light's depth framebuffer

    light.depthFramebuffer.bind(gl);

    // Updates point light's framebuffer in order to create it 
    // or if it's resolution changes, it'll be created again.

    light.depthFramebuffer.update(gl);

    // Sets viewport dimensions with depth framebuffer's dimensions

    this.viewport(new Vector2(), light.depthFramebuffer.size);

    if (light instanceof PointLight) {

      up = new Vector3();
      view = new Matrix4();
      origin = new Vector3();
      target = new Vector3();

      for (j = 0; j < 6; j++) {

    // Check in which cubemap's face we are ...

        switch (j) {
          case Cubemap.POSITIVE_X:
            target.set(1, 0, 0);
            up.set(0, -1, 0);
            break;
          case Cubemap.NEGATIVE_X:
            target.set(-1, 0, 0);
            up.set(0, -1, 0);
            break;
          case Cubemap.POSITIVE_Y:
            target.set(0, 1, 0);
            up.set(0, 0, 1);
            break;
          case Cubemap.NEGATIVE_Y:
            target.set(0, -1, 0);
            up.set(0, 0, -1);
            break;
          case Cubemap.POSITIVE_Z:
            target.set(0, 0, 1);
            up.set(0, -1, 0);
            break;
          case Cubemap.NEGATIVE_Z:
            target.set(0, 0, -1);
            up.set(0, -1, 0);
            break;
        }

    // Creates a view matrix using target and up vectors according to each face of pointlight's
    // cubemap. Furthermore, I translate it in minus light position in order to place
    // the point light in the world's origin and render each cubemap's face at this 
    // point of view

        view.lookAt(origin, target, up);
        view.mul(new EZ3.Matrix4().translate(light.position.clone().negate()));

    // Flips the Y-coordinate of each cubemap face
    // scaling the projection matrix by (1, -1, 1).

    // This is a perspective projection matrix which has:
    // 90 degress of FOV.
    // 1.0 of aspect ratio.
    // Near clipping plane at 0.01.
    // Far clipping plane at 2000.0.

        projection = light.projection.clone();
        projection.scale(new EZ3.Vector3(1, -1, 1));

    // Attaches a cubemap face to current framebuffer in order to record depth values for the face with this line
    // gl.framebufferTexture2D(gl.FRAMEBUFFER, gl.COLOR_ATTACHMENT0, gl.TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + j, id, 0);

        light.depthFramebuffer.texture.attach(gl, j);

    // Clears current framebuffer's color with these lines:
    // gl.clearColor(1.0,1.0,1.0,1.0);
    // gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT | gl.DEPTH_BUFFER_BIT);

        this.clear(color);

    // Renders shadow caster meshes using the depth program

        for (k = 0; k < shadowCasters.length; k++)
          this._renderShadowCaster(shadowCasters[k], program, view, projection);
      }
    } else {
       // Directional light & Spotlight case ...
    }
  }

В-четвертых, вот как я вычисляю Всенаправленное Shadow Mapping, используя мою кубическую карту глубины в моем основном Vertex Shader & Fragment Shader:

Вершинный шейдер:

precision highp float;

attribute vec3 position;

uniform mat4 uModel;
uniform mat4 uModelView;
uniform mat4 uProjection;

varying vec3 vPosition;

void main() {
  vPosition = vec3(uModel * vec4(position, 1.0));

  gl_Position = uProjection * uModelView * vec4(position, 1.0);
}

Фрагмент шейдера:

float unpackDepth(in vec4 color) {
    return dot(color, vec4(1.0 / (256.0 * 256.0 * 256.0), 1.0 / (256.0 * 256.0), 1.0 / 256.0, 1.0 ));
}

float pointShadow(const in PointLight light, const in samplerCube shadowSampler) {
    vec3 direction = vPosition - light.position;
    float vertexDepth = clamp(length(direction), 0.0, 1.0);
    float shadowMapDepth = unpackDepth(textureCube(shadowSampler, direction));

    return (vertexDepth > shadowMapDepth) ? light.shadowDarkness : 1.0;
}

Наконец, это результат, который я получаю, моя сцена имеет плоскость, куб и сферу. Кроме того, красная яркая сфера является точечным источником света:

Как вы можете видеть, мне кажется, что кубическая карта фреймбуфера с точечной световой глубиной не выполняет хорошую интерполяцию среди их граней.

До сих пор я не знаю, как решить эту проблему.

РЕШЕНИЕ

Через пару дней я понял, что вычисляю свою матрицу проекции, используя угол обзора в градусах, и он должен быть в радианах . Я сделал преобразование, и теперь все отлично работает. Интерполяция среди граней моей глубинной куб-карты кадрового буфера теперь идеальна. По этой причине важно обрабатывать угол каждой тригонометрической функции в радианах.

Более того, я понял, что вы можете вычислить свою матрицу представлений либо, как я сказал в вопросе, и так:

view.lookAt(position, target.add(position.clone()), up);

Этот подход означает, что ваша точка зрения находится в центре точечного света, и вы просто визуализируете в каждом направлении своей кубической карты, но каковы эти направления? хорошо, эти направления вычисляются, добавляя каждую цель, которая находится в блоке переключателей (в соответствии с лицом каждой кубической карты), с позицией вашего точечного источника света .

Кроме того, нет необходимости переворачивать Y-координату матрицы проекции. В этом случае все в порядке, матрица перспективной проекции pointlight отправляется на ваш GLSL-шейдер, не масштабируя ее на (1, -1, 1), потому что я работаю с текстуры, которые не имеют перевернутой Y-координаты , я думаю, что вы должны перевернуть Y-координату матрицы проекции вашего точечного света, только если вы работаете с Y-координатой перевернутой текстуры, чтобы иметь правильный всенаправленный эффект отображения теней.

Наконец, я оставлю здесь окончательную версию моего алгоритма всенаправленного теневого отображения на стороне CPU / GPU. На стороне процессора я объясню каждый шаг, который вы должны сделать, чтобы вычислить правильную карту теней для каждого лица кубической карты. С другой стороны, на стороне GPU, я объясню вершинный / фрагментный шейдер моей программы глубины и функцию всенаправленного отображения теней в моем основном фрагментном шейдере, чтобы помочь кому-то, кто мог бы изучить эту технику, или решить будущие сомнения относительно этого алгоритма. :

ЦПУ

  // Disable blending and enable front face culling.

  this.state.disable(gl.BLEND);

  this.state.enable(gl.CULL_FACE);
  this.state.cullFace(gl.FRONT);

  // Binds depth program

  program.bind(gl);

  // For each pointlight source do

  for (i = 0; i < lights.length; i++) {
    light = lights[i];

    // Get each pointlight's world position

    position = light.worldPosition();

    // Binds pointlight's depth framebuffer. Besides, in this function,
    // viewport's dimensions are set according to depth framebuffer's dimension.

    light.depthFramebuffer.bind(gl, this.state);

    // Updates point light's framebuffer in order to create it 
    // or if it's resolution have changed, it'll be created again.

    light.depthFramebuffer.update(gl);

    // Check in which cubemap's face we are ...

    for (j = 0; j < 6; j++) {
      switch (j) {
        case Cubemap.POSITIVE_X:
          target.set(1, 0, 0);
          up.set(0, -1, 0);
          break;
        case Cubemap.NEGATIVE_X:
          target.set(-1, 0, 0);
          up.set(0, -1, 0);
          break;
        case Cubemap.POSITIVE_Y:
          target.set(0, 1, 0);
          up.set(0, 0, 1);
          break;
        case Cubemap.NEGATIVE_Y:
          target.set(0, -1, 0);
          up.set(0, 0, -1);
          break;
        case Cubemap.POSITIVE_Z:
          target.set(0, 0, 1);
          up.set(0, -1, 0);
          break;
        case Cubemap.NEGATIVE_Z:
          target.set(0, 0, -1);
          up.set(0, -1, 0);
          break;
      }

      // Creates a view matrix using target and up vectors 
      // according to each face of pointlight's cubemap.

      view.lookAt(position, target.add(position.clone()), up);

      // Attaches cubemap's face to current framebuffer 
      // in order to record depth values in that direction.

      light.depthFramebuffer.texture.attach(gl, j);

      // Clears color & depth buffers of your current framebuffer

      this.clear();

      // Render each shadow caster mesh using your depth program

      for (k = 0; k < meshes.length; k++)
        this._renderMeshDepth(program, meshes[k], view, light.projection);
    }
  }

В функции renderMeshDepth я имею:

  // Computes pointlight's model-view matrix 

  modelView.mul(view, mesh.world);

  // Dispatch each matrix to the GLSL depth program

  program.loadUniformMatrix(gl, 'uModelView', modelView);
  program.loadUniformMatrix(gl, 'uProjection', projection);

  // Renders a mesh using vertex buffer objects (VBO)

  mesh.render(gl, program.attributes, this.state, this.extensions);

GPU

Глубина программы Vertex Shader:

precision highp float;

attribute vec3 position;

uniform mat4 uModelView;
uniform mat4 uProjection;

void main() {
  gl_Position = uProjection * uModelView * vec4(position, 1.0);
}

Шейдер фрагмента программы глубины:

precision highp float;

// The pack function distributes fragment's depth precision storing 
// it throughout (R,G,B,A) color channels and not just R color channel 
// as usual in shadow mapping algorithms. This is because I'm working
// with 8-bit textures and one color channel hasn't enough precision 
// to store a depth value.

vec4 pack(const in float depth) {
  const vec4 bitShift = vec4(255.0 * 255.0 * 255.0, 255.0 * 255.0, 255.0, 1.0);
  const vec4 bitMask = vec4(0.0, 1.0 / 255.0, 1.0 / 255.0, 1.0 / 255.0);

  vec4 res = fract(depth * bitShift);
  res -= res.xxyz * bitMask;

  return res;
}

void main() {
  // Packs normalized fragment's Z-Coordinate which is in [0,1] interval.

  gl_FragColor = pack(gl_FragCoord.z);
}

Всенаправленная функция Shadow Mapping в моем основном фрагментном шейдере:

// Unpacks fragment's Z-Coordinate which was packed 
// on the depth program's fragment shader.

float unpack(in vec4 color) {
   const vec4 bitShift = vec4(1.0 / (255.0 * 255.0 * 255.0), 1.0 / (255.0 * 255.0), 1.0 / 255.0, 1.0);
   return dot(color, bitShift);
}

// Computes Omnidirectional Shadow Mapping technique using a samplerCube
// vec3 lightPosition is your pointlight's position in world coordinates.
// vec3 vPosition is your vertex's position in world coordinates, in code
// I mean this -> vPosition = vec3(uModel * vec4(position, 1.0));
// where uModel is your World/Model matrix.

float omnidirectionalShadow(in vec3 lightPosition, in float bias, in float darkness, in samplerCube sampler) {
    vec3 direction = vPosition - lightPosition;
    float vertexDepth = clamp(length(direction), 0.0, 1.0);
    float shadowMapDepth = unpack(textureCube(sampler, direction)) + bias;

    return (vertexDepth > shadowMapDepth) ? darkness : 1.0;
}

Здесь у вас есть окончательный рендеринг алгоритма

Удачи в кодировании красивой графики, удачи :)

CZ