Percentage-Closer Soft Shadows

                                                                 Author：Randima Fernando  NVIDIA Corporation 

                                                                  譯：清風     http://www.shnenglu.com/zzxhang/

1.Introduction

從區域光源中生成精確的軟陰影是圖形學的一個基礎課題，軟陰影為物體間的距離關系提供了有價值的提示，當物體間彼此靠近時陰影邊緣變得銳利，當距離比較遠時則變得越來越模糊

這幅圖應用了一種新的方法，叫Percentage-Closer Soft Shadow(PCSS)，這種方法在shadow mapping([Williams 1978] 和 percentage‐closer filtering (PCF) [Reeves et al. 1987])的基礎上, 生成了有精度自適應的軟陰影，PCSS有下面這些主要特征：

1.       可以生成有精度自適應的軟陰影。

2.       一次光源采樣（一張shaow map）。

3.       不需要pre-processing，post-processing，或者其他一些圖形技術

4.       可以非常容易地替換一個傳統的shadow mapping查詢方法（同時保留了傳統shadow mapping方法具有的一些優點，如場景復雜度無關，可以和alpha testing，displacement mapping（位移映射）一起工作等等。

5.       在現今的硬件上可以實時渲染。

這些特點使得它在大量應用程序中都很適用，從次時代游戲到DCC/CAD程序都可以應用得很好。因為它只需要一次采樣同時不需要其他比較特別的處理措施，這個方法可以容易地替換現有的應用程序中的shadow mapping的shader代碼以得到更優秀的畫面，唯一需要改變的地方就是把傳統shadow mapping的pixel shader替換為PCSS shader。

2.Previous Work

在計算機圖形學上陰影生成理論的歷史是非常廣泛和豐富的，一個非常好的調查統計可以在[Hasenfratz 2003]找到，里面總結了非常多的陰影生成方法，在相同的前提：易于結合，穩健，可交互性下,沒有一個能生成像我們的成果一樣真實的畫面，通常不能產生隨著半影擴展而收縮的本影是這些方法的敗筆之一。

3.Percentage-Closer Soft Shadows

PCSS方法建立在標準shadow mapping的基礎上：當在視線視角對每個像素著色時，PCSS返回一個浮點值表明這個像素的受陰影度（替換了普通shadow mapping的深度比較方法）。

PCSS基于當PCF采樣區域的尺寸增大的時候陰影會變柔和的研究。其中的挑戰是如何讓采樣區域尺寸靈活地變化以得到一個正確的陰影柔和度，為了達到這個目的，算法中對每個像素著色時包含了3個步驟：

Step 1：Blocker search（譯者：不知道怎么翻譯比較合適。。）。我們查找shader map，找到所有比當前像素（receiver）更靠近光源的像素，把它們的深度值做一個平均，查找區域的尺寸由光源的尺寸和當前像素距光源的距離決定。

Step2：半影測量。用一個平行的平面近似，我們根據光源的尺寸和blocker/receiver距光源的距離估量半影的寬度：
                

Step 3：過濾。現在我們運用標準的PCF步驟進行過濾，PCF的采樣區域尺寸與步驟2中得到的半影測量寬度成正比。

4. Results

在NVDIA GeForce 7800 GTX上，640 x 480的分辨率這個方法一個沒有優化的版本大概能跑75FPS，其中在block search和PCF步驟上分別進行了36次和64次采樣。這是一個非常優秀的結果，對于需更具真實感的場景尤其如此，維持了一個很高的交互度。采樣數可以根據光源的尺寸和對圖像質量的要求進行修改。

5.References

HASENFRATZ,  J., LAPIERRE, M., HOLZSCHUCH, N., AND SILLION, F. A Survey  of 

RealTime  Soft  Shadow  Algorithms.  Computer  Graphics Forum, Vol. 22, No. 4 (December 2003) 

REEVES, W.T., SALESIN, D. H., AND COOK, R.  I. Rendering Antialiased Shadows with Depth Maps. In Computer Graphics (SIGGRAPH 1987 Proceedings), pages 283‐291, July 1987. 

WILLIAMS,  L.  Casting  Curved  Shadows  on  Curved  Surfaces.  In Computer Graphics (SIGGRAPH 1978 Proceedings), pages 270‐274, August 1978. 

 
譯者注：后面還有幾張圖片，博客文章貼圖實在太麻煩就不搞了，想看的可以到原文去看