Shadow Volume（阴影锥）技术详解

这篇文章主要内容翻译自reference(1)，同时也讲一下Nehe的实现方式。这里使用的是z-pass方法。
代码下载
感谢两个人的话：
DancingWind:如果我能让读者在读我的书的时候节省一分钟，那么这个班上有60个同学，我就节约了一个小时。好的教程往往可以事办功倍。
Emilmatthew:让更多人受益。
虽然我能力所限做不出好的教程，但是会尽力的。
Reference:
(1).Volume Shadows Tutorial by John Tsiombikas
(2).Nehe OpenGL tutorial:lesson 27 by Nehe

Steps:
[原理]首先，讲一下阴影体原理
我会尽我所能的讲得清楚一些，但是我仍然希望读者队模板缓存(stencil buffer),深度(depth)有基本的了解。我自己的学习过程也遇到很多困难，我所得到得经验就是要先把原理弄明白，而不是急于看别人写好的code。

这个图是很理想的，足够简单又能说明问题。黄色的点代表光源，红色的平面代表一个三角形的物体，紫色，蓝色，棕色的平面就是构成阴影体的面（实际上这三个面应该在被离光源的方向上继续延长的，现在还是继续使用它吧)。灰色的代表阴影投射到的平面。

我们一边渲染一边讲：
[首先把要绘制阴影之外的物体绘制]，这也是一个原则阴影物体要最后被绘制，这样做的目的是为了获取深度信息。深度：depth也就是物体离视点的距离，深度信息通常用做遮挡判断。比如在三维空间里绘制了一前一后两个平面，就要通过深度信息来判断两个平面的前后位置，进而其中一个平面判断那些位置被遮挡了。绘制完成之后屏幕上每点的深度值都已经确定下来，然后使深度缓存不可写
比如:glDepthMask(GL_FALSE);(DX下有类似的做法）
但是允许深度测试:glEnable(GL_DEPTH_TEST);
测试函数为:glDepthFunc(GL_LEQUAL);
也就是说只有深度小于原象素的象素才会被接受。

[然后绘制阴影体]
先清空模板缓存:glClearStencil(0);
开启模板缓存测试：glEnable(GL_STENCIL_TEST);
设置测试比较函数为： glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 0xffffffff);
然后设置片元通过或者未通过模板测试时如何队模板缓存中的数据进行更改： glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_INCR);也就是通过测试时增1。
然后绘制阴影体的所有朝向你的面，阴影体是这样形成的，以光源为一个顶点，物体边缘的一条边为边的三角形无限延伸所形成的四边形(理论上讲应该是一个无限的，但实际上长用一个足够长的来模拟)，本例中就是紫色和蓝色的面。容易发现，这两个面上的所有片元都可以通过测试
相对应位置的模板缓存的值都会加1。
但是相应位置的深度信息不变，因为深度缓存被设置为不可写。
结果如右图所示：淡蓝色的区域模板缓存值增1。

然后重设模板测试比较函数：glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_DECR);
绘制阴影体的所有背向视点的面
也就是当片于通过模板测试时，相应的模板缓存区域的值减一。接着红色区域＋棕色区域的那个四边形被渲染。但是这个四边形位于红色的三角形的背后的部分无法通过深度测试，那个区域片元的位置比三角形离视点更远。

左图中棕色区域的模板缓存相应位置的值减1。经过这两次渲染，模板缓存中不为0的地方就是右边的淡蓝色区域减左边的棕色区域。
那个区域就是棕色区域下面的三角形区域，也就是阴影区。
实际上标准的做法是把场景渲染两遍的，这个下面我会翻译。现在使用的是NeHe的做法，直接给整个屏幕蒙上一个蒙板，非阴影区颜色不变，阴影区颜色加深。
glStencilFunc(GL_NOTEQUAL, 0, 0xffffffff);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP);

//draw a shadowing rectangle covering the entire screen
glColor4f(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.4f);
glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

glPushMatrix();
//将当前矩阵load indentity后，绘制任意大小的矩形都将覆盖整个屏幕
glLoadIdentity();
glBegin(GL_TRIANGLE_STRIP);
glVertex3f(-0.1f, 0.1f, -0.10f);
glVertex3f(-0.1f, -0.1f, -0.10f);
glVertex3f( 0.1f, 0.1f, -0.10f);
glVertex3f( 0.1f, -0.1f, -0.10f);
glEnd();
glPopMatrix();
这个覆盖全屏的做法感觉有点投机取巧
gluPerspective(45.0, (GLfloat)width/(GLfloat)height, 0.1, 100.0);
如果那个角度比45.0f大就无法覆盖了，我觉得正确的做法应该是改用正投影。
然后就可以恢复OpenGL状态机设置，绘制物体本身。
效果图如下：

[代码说明]
1.先说一下3ds文件的结构，它是可能包含有多个object的，读进来的模型也是包含多个object的。
// 模型信息结构体
struct t3DModel
{
UINT texture[MAX_TEXTURES];
int numOfObjects; // 模型中对象的数目
int numOfMaterials; // 模型中材质的数目
std::vector <tMaterialInfo> pMaterials;// 材质链表信息
std::vector <t3DObject> pObject; // 模型中对象链表信息
};

2.首先执行阴影的初始化工作

//载入模型
g_model.Import3DS(fileName);
// 初始化阴影
g_modelShadow.Init(g_model.GetModel(), g_lightPos);

以下是ModelShadow::Init的定义

bool ModelShadow::Init(const t3DModel &model,const float *lightPos)
{
// 获取object的数目
objNum_ = model.numOfObjects;
objInfoTable_.resize(objNum_);
for(int objIndex = 0 ; objIndex < objNum_ ; objIndex++ )
{
....
}
glClearStencil(0);
....
SetConnectivity(); // 设置三角形之间的链接关系
CalcPlane(); // 计算每个三角形的平面方程
....
}

3.初始化之后就可以渲染了

// 绘制模型，阴影
// 重设光源位置，如果光源位置不便可以忽略
g_modelShadow.ResetLightPos(g_lightPos);
// 这里获取当前的model view matrix(MVM)
g_modelShadow.GetCurMatrix();
glPushMatrix();
// 放置物体
glTranslatef(g_modelPos[0], g_modelPos[1], g_modelPos[2]);
// 这里又获取了一次model view matrix
g_model.Draw();
g_modelShadow.Draw();
glPopMatrix();

通过两次获得的矩阵的差异就可以算出中间做了那些变换，比如(glTranslatef(g_modelPos[0], g_modelPos[1], g_modelPos[2]); )
现在看一下ModelShadow::Draw的实现

void ModelShadow::Draw() const
{
glClear(GL_STENCIL_BUFFER_BIT);

GLfloat objMatrix[16];
glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, objMatrix);

// 求逆矩阵，这四条语句就是在求物体的局部坐标系里灯的坐标
InverseMatrix16(objMatrix);
MultiplyMatrix16(objMatrix, curMatrix_);
memcpy(lightPos_, orignLightPos_, 4 * sizeof(float));
Mtx16MultVect4(objMatrix, lightPos_);

//Cast the shadow
CastShadow();
}

再看ModelShadow::castShadow

void ModelShadow::CastShadow() const
{
SetVisibility(); // 设置每个三角形的可见性
....
// 第一趟渲染，通过模板测试的话模版值增一
glFrontFace(GL_CCW);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_INCR);
DoShadowPass();

// 第二趟渲染，通过模板测试的话模版值减一
glFrontFace(GL_CW);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_DECR);
DoShadowPass();
….
glStencilFunc(GL_NOTEQUAL, 0, 1);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP);

//在全屏幕混合一张图
glEnable(GL_BLEND);
glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
glColor4f(0, 0, 0, 0.3f);
….
}