Shadow Acne问题

Posted 2021-02-18 wickedpriest

ShadowMap是实时渲染中实现阴影效果一种常用的方法，它的基本思路是创建一个光源视角下的深度图；然后在渲染时，将渲染frag的深度和深度图对应的深度进行比较，若frag的深度比深度图的深度值大，则说明它是在阴影下的（有一个物体在它前面遮挡了光线），否则不需要渲染阴影。
但是在实际的实现中，会有一个问题，如下图所示：

仔细看上图的地板和方体，可以看到条纹装的阴影，拉近镜头的话如下所示：

该现象被称作Shadow Acne。其实原因也是不难理解。因为我们创建的深度图终究是离散的数值，对深度图采样只能得到该像素下某一个点的深度值，但实际上同一个像素不同位置的深度值也是有很大差别的，如下图所示:

图中黄色的一个像素，在渲染时只能将中间的深度值作为该像素的深度值。但在实际渲染场景的时候，像素其他位置的深度值可能会高于或低于深度图存储的值，就会出现这种一部分在阴影中，一部分没有阴影的效果。
那么该如何解决这类问题呢？最简单的做法是为深度图中读取出的深度图加上一个bias，保证该像素内所包含的frag的深度均位于其下，这样就将该问题解决了。
我们还可以设置bias的值根据光线和物体本身的normal动态变化：

float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(normal, lightDir)), 0.005);

但是利用该方法也有一个缺点，那就是利用bias有可能会导致阴影的偏移，如下图所示：

尤其是在bias的值选的过大时，该现象更加明显。
其实，想彻底解决该问题只需要一个小小的改动就可以：在渲染深度图时只渲染背面。这样一来，假设该物体实际上被某物体遮挡，那么它的深度值必然高于遮挡物体背面的深度值。反之，假设该物体没有被遮挡，那么它的深度值必然小于它背面的深度值：

这种方法被称作Peter panning。
当然，该方法也是有自己的问题的：就是它只能处理闭合的模型（比如长方体），对于只有一个面的模型（比如长方形）就无法渲染它的背面了。这就要求在制作模型的时候就要制作闭合的模型。
当然，实际上大部分还是用的bias值来处理该问题。只要比较小心得设置它的值，就可以得到皆大欢喜的结果。