GPU Gems 1 · Chapter 9. Efficient Shadow Volume Rendering

直觉引入：先问一个像素“有没有穿过阴影”

想象你从屏幕上的一个像素沿着视线向远处发射一条线。它如果穿过由遮挡物投出的封闭区域，就说明这条线上的可见点被挡住；如果进出次数相等，就说明它最后回到了区域外。我们不需要把阴影涂成黑色，只要把这个“穿过几次”的答案记下来。

本章解决的是实时点光源、聚光灯和方向光的硬阴影。核心做法是把遮挡物的轮廓挤出成一个体积，把每个像素的进入和离开次数写到 stencil，再按每盏灯分 pass 计算光照。难点不在黑色，而在可靠的分类和过大的填充范围。

1. shadow volume 适合什么场景

shadow volume 能产生锐利、逐像素的硬阴影，适用于点光源、聚光灯和方向光。阴影接收者不一定是普通网格，也可以是 billboard、粒子系统或带深度的预渲染场景；但遮挡者必须有与真实轮廓相符的网格，否则透明树叶的方形面就会投出错误的实心阴影。

它也不是所有场景的最佳解。少量向下的方向光、俯视摄像机和简单遮挡物会让体积很划算；多个点光源位于复杂室内场景中时，体积会覆盖大量像素，CPU 的轮廓处理与 GPU 的 stencil 填充都可能变成瓶颈。

2. multipass rendering 先写深度，再逐灯累加

multipass rendering 把每盏灯的 diffuse 与 specular 拆开。第一 pass 只计算 ambient 与 emissive，并写入深度；随后每个灯依次清空 stencil、标记阴影、计算非阴影区域的光照，最后用加法混合加入帧缓冲。

这样做有两个好处：基础 pass 预先建立深度，后续光照 pass 可以避免无效 overdraw；每个灯也能拥有自己的颜色、衰减和 shadow volume。原书建议基础 pass 使用替换式混合，灯光 pass 使用加法混合，并保持深度测试以避免后续 pass 的 z-fighting。

3. 从 silhouette edge 构造封闭体积

阴影投影的边界来自 silhouette edge。对每条网格边查看它的两个相邻面：若 light-facing 状态不同，这条边就是需要沿远离光源方向挤出的轮廓边。其他内部边不会改变阴影边界，挤出它们只会增加几何与填充。

点光源的边通常要挤到足够远的位置，并由两端的 light cap 与远端的 dark cap 封闭。方向光的所有光线平行，远端在无穷远，很多情况下可以采用 uncapped 路径省去两个 cap；但前提是摄像机没有被该体积包住，并且 stencil 计数方向已经相应调整。

网格边还要维护一致的方向。构造侧面 quad 时，顶点 winding 必须让法线朝向体积外部；如果相邻面索引的方向不一致，debug 时会看到 front/back 面颜色交错，最终模板计数会在裂缝处漏掉。

4. stencil buffer 把交点变成阴影答案

stencil buffer 的关键是模拟射线交点计数。对每个可见像素 P，沿负视线方向发射射线；射线进入体积时增加一种计数，离开时抵消它。最终为零表示没有被包住，非零表示像素位于阴影体积内部。

设射线与 shadow volume 的面交点法线为 M，视线向量为 V。进入与离开的判断可以用 dot(M,V) 的正负区分，掠射时的零值则忽略。核心判定写成：

这个式子在说：只要进入次数多于离开次数，射线在体积里结束，像素就被遮挡；计数实现把复杂的几何关系交给硬件 stencil。

depth fail 先渲染体积的 back/front 面，只有当体积面深度测试失败时才更新 stencil。这样计算的是从可见表面向远处的交点，通常需要 caps 来保证体积封闭。

如果能保守确认摄像机不在体积内，可以用 z-pass，让通过深度测试的 front/back 面直接增减 stencil。它可以省掉 caps，但摄像机是否被体积包住必须单独检查；否则起始计数会偏移。

5. 用代码对照理解 stencil 操作

下面是把标记 pass 的意图压缩成 OpenGL 风格伪代码。颜色写入关闭、深度写入关闭，体积只留下 stencil 副作用。

glColorMask(false, false, false, false);
glDepthMask(false);
glEnable(GL_STENCIL_TEST);
glStencilMask(~0);
glEnable(GL_CULL_FACE);
 
// depth-fail：正面深度失败减少，背面深度失败增加
glCullFace(GL_FRONT);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_DECR_WRAP, GL_KEEP);
drawShadowVolumeFrontFaces();
 
glCullFace(GL_BACK);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_INCR_WRAP, GL_KEEP);
drawShadowVolumeBackFaces();

这段代码把 volume 的两类交点写进同一个整数缓冲。项目支持 z-pass 时，可以把操作改成 depth-pass 的增减并省掉 caps；不要只改 stencilOp 而忘记开启 stencil test 和 stencil mask，否则写入会被硬件静默忽略。

在灯光 pass 中，模板测试反过来承担“只画亮处”的条件。基础光照已写深度，后续 pass 关闭深度写入、使用 GL_LEQUAL，并用加法混合把通过 stencil 的灯光加入画面。

glColorMask(true, true, true, true);
glDepthMask(false);
glDepthFunc(GL_LEQUAL);
glStencilFunc(GL_EQUAL, 0, ~0);
glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP);
glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE);
drawDiffuseAndSpecular(light);

6. 优化几何和 fill rate

fill rate 是阴影体积的 Achilles heel。一个点光源的体积会随着距离变大，远处的多边形即使不会照亮任何对象，也可能消耗 stencil 与光照片元。

第一类优化是 finite volume：光源衰减到零的半径外不可能有有效光照，因此把 dark cap 延伸到这个球体边界即可。第二类是把光照范围投影到屏幕，用矩形 scissor 做 XY clipping；第三类是根据深度缓冲和光源范围设置 z-bounds，只处理位于前后深度界间的可见像素。

这些优化要从可证明的范围开始。裁剪太激进会产生阴影断裂或亮边；裁剪太松则无法节省填充。建议同时记录 stencil pass 的片元数量、光照 pass 的帧时间、轮廓边数和每盏灯的有效像素面积，再决定是否增加更复杂的几何处理。

7. 调试：先让看不见的体积显形

调试时可以暂时打开颜色写入，把 shadow volume 用加法透明色画出来；再用一种颜色画 front faces，另一种颜色画 back faces。这样可以直接观察轮廓侧面是否闭合、winding 是否正确、caps 是否覆盖到预期的位置。

模型裂缝也要在 CPU 侧断言：每条内部边应该正好有两个相邻面。若有未焊接的顶点，体积会在空中留下阴影 streak；这类错误不是 stencil 公式能修好的，必须回到网格拓扑或 welding 工具。

猜一猜：把实验切到 directional 后隐藏 shadow volume，为什么画面仍保留一个简化的无限投影？再把裁剪范围降到 0.25，先变化的是阴影形状、模板值，还是无效填充面积？

实验中的 front/back 调试开关与 volume 显示开关是故障注入：它们让你先看几何和计数，再回到最终的黑白阴影。真实引擎应在发布构建中关闭 debug color，并根据摄像机是否被体积包住选择 depth fail 或 z-pass。

小结：阴影体积是像素分类器，不是黑色贴片

• shadow volume 由 silhouette edge 挤出，封住所有可能的阴影区域。
• stencil buffer 用进入/离开计数分类每个可见像素。
• depth fail 更稳健，z-pass 在可证明的条件下可省 caps。
• multipass rendering 让每盏灯只累加通过模板测试的光照。
• finite volume、XY clipping 和 z-bounds 共同降低 fill rate。