Shadow Volume！
打從Doom3資料被公布的第一天起，人們就開始關(guān)注這個(gè)詞匯了。這個(gè)Shadow Volume究竟是什么？注意了，這就是和Doom3那幾可亂真的陰影技術(shù)相關(guān)的重要名詞——“陰影錐”！比較酷一點(diǎn)的說法叫做“陰影容積”，不過反而更難以理解了^^
09-ShadowVolume
如圖9這種解釋陰影錐的圖片已經(jīng)太多太多了。很多人認(rèn)為這是一種跨時(shí)代的技術(shù)，其實(shí)早在Quake3時(shí)代，這種陰影技術(shù)就已經(jīng)開始使用了。在Quake3中有3種陰影：
第一種是人物腳下一個(gè)黑斑，這個(gè)其實(shí)不能算實(shí)時(shí)陰影。
第二種是平面陰影（Planar Shadow），它把物體映射在一個(gè)平面上，然后很據(jù)光線數(shù)據(jù)把這個(gè)陰影“貼”在它應(yīng)該在的表面上。這種方法在環(huán)境簡單時(shí)非常不錯(cuò)，比如球場上的球員陰影。但其缺點(diǎn)在于，被映射的物體形狀越復(fù)雜，計(jì)算效率越低，且不能把陰影映射在曲面上。
第三種就是Doom3所采用的體積陰影技術(shù)，當(dāng)時(shí)因?yàn)橛?jì)算能力限制，只能簡單運(yùn)用在人物身上，外加場景復(fù)雜度不夠，所以并未產(chǎn)生驚人效果。
隨著硬件和游戲引擎的飛速發(fā)展，體積陰影技術(shù)終于在Doom3引擎上大規(guī)模應(yīng)用，我們就來看看體積陰影技術(shù)究竟有什么秘密：
名詞解釋：體積陰影，測定投影空間式陰影，Volumetric Shadow。該算法最早于1977年提出，其基本原理是根據(jù)光源和遮蔽物的位置關(guān)系計(jì)算出場景中會產(chǎn)生陰影的區(qū)域，即陰影錐。然后對所有物體進(jìn)行檢測，以確定其會不會受陰影的影響。這個(gè)方法的要點(diǎn)在于，它不是利用“把物體投影到環(huán)境表面”的方式來產(chǎn)生陰影，而是去找出場景中有哪些像素是在陰影中。
如圖10，我們可以做個(gè)實(shí)驗(yàn)：拿一個(gè)小球，正對光源（比如一盞臺燈）。光線是向四面八方直線傳播的，既然小球不透光，那么小球必然會在擋住朝小球方向的光線，在小球的逆光面形成一個(gè)錐形的無光線區(qū)域，也就是陰影錐。很明顯的，只要任何物體或物體的部分位于這個(gè)區(qū)域以內(nèi)，就會處在陰影之中。
現(xiàn)在我們深入一些，假設(shè)有一個(gè)已經(jīng)繪制完成的3D場景，因?yàn)槭褂肸軸緩沖（Z buffer，用以表現(xiàn)場景的深度）的關(guān)系，對每一個(gè)像素而言都有一個(gè)Z值，即表示該像素和觀察者的距離的值。假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)三角形物體，把陰影投射到這個(gè)場景中，并畫出這個(gè)物體的陰影錐。因?yàn)槲矬w是一個(gè)三角形，所以它的陰影錐也是一個(gè)三角錐。那么，要如何知道場景中有哪些像素會受這個(gè)陰影錐的影響，從而處在陰影內(nèi)呢？
其實(shí)方法很簡單：想象許多射線，由觀察者射向每個(gè)像素。如果射線和陰影錐完全沒有交集，它所對應(yīng)的像素當(dāng)然就不會受陰影錐影響，就不會處于陰影中。不過，即使是射線和陰影錐有交集，并不一定表示該射線對應(yīng)的像素就一定受陰影錐影響，因?yàn)樯渚€可能會穿越陰影錐。所以，只有在射線射入陰影錐之后，在離開陰影錐之前就遇到其對應(yīng)的像素時(shí)，才表示這個(gè)像素和受陰影錐影響，處于陰影之中。
我們以圖11來講解這幾種不同的情形：
11-陰影錐分析
圖中的（1）和（2）都是面對觀察者的面，它們所涵蓋的像素，是“射線會射入陰影錐”的像素。而（3）是背對觀察者的面，它所涵蓋的像素是“射線會離開陰影錐”的像素。所以，會受陰影錐影響，處于陰影中的像素，就是（1）＋（2）-（3）的那些像素，也就是陰影所在的位置。
要怎么在3D繪圖中，得到（1）＋（2）- （3）的結(jié)果呢？這就需要OpenGL的模板緩沖區(qū)（Stencil Buffer）。OpenGL的模板緩沖區(qū)可以讓顯卡進(jìn)行“加1”和“減1”的計(jì)算。所以，只要把模板緩沖區(qū)設(shè)定成在繪制（1）和（2）的面時(shí)，讓模板緩沖區(qū)加1；而在繪制（3）的面時(shí)，讓模板緩沖區(qū)減1。這樣一來，在繪制完（1）至（3）時(shí)，那些模板值不為0的像素就是陰影了。最后，把所有模板不為0的像素亮度降低，就可以達(dá)到繪制陰影的效果。
體積陰影最主要的缺點(diǎn)是在于它過于復(fù)雜。要做出有效率的“陰影錐”，需要對物體做相當(dāng)麻煩的處理，基本上就是要找出物體在某個(gè)方向的 “外緣”（Silhouette）。這需要花費(fèi)相當(dāng)?shù)娘@卡核心處理時(shí)間。另外，為所有的物體繪制出陰影錐，需要耗費(fèi)相當(dāng)大的填充率、顯存帶寬甚至是CPU 占用率——這顯然不適合需要一定幀數(shù)率的Doom3。
那么，我們就要看看Doom3是怎樣加速陰影生成的：
沒錯(cuò)，又是Vertex Shader）！頂點(diǎn)引擎的可編程特性可以讓生成Shadow Volume的工作由顯卡核心完成，這樣可以大幅度減輕CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，借助頂點(diǎn)引擎的寄存器組，連數(shù)據(jù)的來回傳輸都省略了，這樣就可以帶來驚人的速度提升。
此外還有Ultra Shadow技術(shù)。它是NVIDIA在NV35以后的GPU中增加的功能，關(guān)于此技術(shù)對提升Doom3運(yùn)行效能的作用在本雜志今年第6期GeForce 6顯卡介紹文章中有詳細(xì)介紹，這里就不復(fù)述了。不過，Doom3默認(rèn)并未開啟Ultra Shadow技術(shù)，我們可以在Doom3安裝目錄下的Doomconfig文件中加入“set r_usedepthboundstest 1”語句來開啟Doom3對Ultra Shadow技術(shù)的支持。不過，使用NV35以下GPU的用戶就不要做無意義的嘗試了。
值得一提的是，Ultra Shadow技術(shù)是開放的，所以有可能會有其它廠商采用。當(dāng)然，這其中很多優(yōu)化特性依靠軟件也可以執(zhí)行，僅僅速度的提升不如GPU直接參于那么明顯罷了。
12-沒有體積陰影的架子
13-打開體積陰影的架子