GPU Gems 1 · Chapter 10. Cinematic Lighting

直觉引入：把一盏灯当成摄影师的手

普通光照模型更关心“现实中这束光会怎样传播”。电影灯光更先问：“观众应该看见谁？我想让这块墙变暖，还是让眼睛里留下一个小高光？”因此，一盏可用的实时灯不只是位置、颜色和强度，还要能控制它照谁、照成什么形状、被挡住后留下什么，以及投影什么纹理。

本章把这组控制集中到一个简化的 uberlight shader 中。它不是一个固定的灯具类型，而是一套可组合的控制面：顶点阶段把对象送进 light space，片元阶段依次计算 shaping、距离衰减、cookie 和 shadow，再独立混合 ambient、diffuse、specular。这样“物理输入”和“艺术决定”之间有了清晰的接口。

1. cinematic lighting 先控制叙事，再近似物理

uberlight 的关键不是多一个光源类，而是把艺术指导需要调的旋钮放在同一处。它可以让一盏灯只选择某些对象、让 ambient/diffuse/specular 拥有独立权重，也可以故意把阴影移到更能服务构图的位置。

可以把控制面拆成五个问题：

selection 与 color：不是只有一个 intensity

light selection 可以通过对象标签、材质通道或灯光列表完成。一个简单而实用的做法，是在材质上保留一个 lightMask，让角色的主灯为 1，背景为 0.2；这样不需要把所有灯光都复制成不同的 shader。

light color 也不等于把 RGB 乘到最终颜色。艺术家可能希望暖色只进入 diffuse，让角色皮肤变暖；同时保留较冷的 specular，让眼睛和金属仍有清晰的轮廓。分量独立，才能避免“暖光一开，所有东西都变成橙色”。

2. shaping：从 omni 的圆润衰减到 barn 的窗口光

omni light 是很好的起点：计算简单，近处亮、远处暗。但它无法表达一束从窗户斜进来的光。barn shaping 则把光源前方限制为一个截断的广义金字塔。

barn 的横截面可以用 superellipse 表达。令 a、b 控制宽高，p 控制从圆到方的过渡：

当 $p=2$ 时，边界接近椭圆；提高 $p$，中段会变得更平、角落更像矩形。再加上 near/far 截断与 soft edge，就能把边界做得硬或软；shear 则能把它倾斜成一束“从窗外斜进来”的光。

superellipse 的价值在于它给了艺术家一个连续旋钮，而不是只能在“圆形”和“方形”之间切换。实际 shader 不必直接解几何交点，可以把归一化的 light-space 坐标送进距离函数，再把距离映射成 0 到 1 的软边权重。

3. distance shaping 与 cookie：控制光到哪里结束

distance shaping 负责回答“光到哪里开始变暗、到哪里归零”。一种稳定的思路是分开计算 near、far 和横截面边界：

float edgeWeight(float distanceToEdge, float softness) {
  return smoothstep(0.0, max(softness, 0.0001), distanceToEdge);
}
 
float distanceWeight(float z, float nearZ, float farZ, float softZ) {
  float nearFade = smoothstep(nearZ, nearZ + softZ, z);
  float farFade = 1.0 - smoothstep(farZ - softZ, farZ, z);
  return nearFade * farFade;
}
 
float barnWeight(vec3 lightPos, vec4 shape) {
  float boundary = 1.0 - length(vec2(lightPos.x, lightPos.y) / shape.xy);
  return edgeWeight(boundary, shape.w) * distanceWeight(
    lightPos.z, shape.z, shape.z + 1.0, shape.w
  );
}

这里的数值只是教学版。工程实现可以把圆形距离换成 superellipse 距离，把 near/far 的范围放到统一的光源参数中。重要的是：先得到一个可解释的 shaping 权重，再让灯光师知道每个旋钮到底改变了哪一段边缘。

cookie 是 shaping 的二维补充。它不负责真实遮挡，而是负责“光束上有什么图案”。因此，cookie 可以与 shadow map 同时使用：shadow map 提供遮挡，cookie 提供颜色或形状。两者都通过 light space 坐标采样，但语义不同，调试时应分开显示。

4. shadowing：阴影是材质决定的输入

cinematic shadowing 把“是否被挡住”与“遮挡后变成什么”分开。可以选择性地让某些对象投影或接收阴影，也可以把投影位置略微移动，避免真实阴影破坏画面构图。

最常见的误解是：shadow map 为 0 就把漫反射和高光都乘成 0。更可控的组合是：

这里 $s$ 是 shadow density，$w_A,w_D,w_S$ 是独立权重。暗部仍可保留一部分 diffuse；如果高光会让阴影看起来“漏光”，就把 $w_S$ 设为 0。阴影的色相也可以通过给 $(1-s)$ 乘一层冷色或暖色来控制，而不必使用纯黑。

shadow map 仍然是很实用的实现，因为它简单、灵活，并且容易和 cookie 共享投影坐标。真正需要设计的是“如何消费这条遮挡信息”：选择、偏移、密度和颜色都应当是 shader 的显式参数。

5. 从 light space 到材质输出

uberlight 的顶点阶段主要准备坐标，片元阶段才组合形状、距离、cookie 与 shadow。下面是压缩后的 Cg/GLSL 风格伪代码，重点是数据流而非某个 API 的精确语法：

// vertex
out vec3 lightPos;
out vec4 shadowCoord;
out vec2 cookieCoord;
 
void vertexMain(vec3 position) {
  vec4 p = lightMatrix * vec4(position, 1.0);
  lightPos = p.xyz / p.w;
  shadowCoord = shadowMatrix * vec4(position, 1.0);
  cookieCoord = p.xy / p.w * 0.5 + 0.5;
}

// fragment
float shape = barnWeight(lightPos, shapeParams);
float cookie = texture(cookieMap, cookieCoord).r;
float blocked = texture(shadowMap, shadowCoord.xyz).r;
float shadow = mix(0.0, shadowDensity, blocked);
vec3 ambientPart = ambientColor * ambientWeight;
vec3 diffusePart = diffuseLambert() * shape * cookie * (1.0 - shadow);
vec3 specularPart = showSpecular ? specularBRDF() * specularWeight : vec3(0.0);
return ambientPart + diffusePart + specularPart;

代码中的 blocked 只是一个教学占位：真实 shadow map 需要比较接收点深度与采样深度，并处理 bias、过滤和光源类型。即使遮挡判定换了，后面的艺术控制仍然可以保持不变。这样调试时可以独立问：“是 shadow map 错了，还是 shadow color / density 的组合错了？”

6. 把解析函数换成 lookup texture

lookup texture 可以把性能问题变成纹理带宽问题。章节给出的方向是：把解析的 shaping 与距离函数烘焙为查表图；在镜头和对象保持静止时缓存它们，甚至用两张图分别承载不同的衰减维度。

这个优化有三个前提：

1. 函数要稳定：只有参数不变或变化很慢时，预计算才不会频繁失效。
2. 坐标要一致：lookup 的 UV 必须和 light space 的 shaping 坐标严格对应，否则边界会漂移。
3. 先对照画面：lookup 近似应与 analytic 版本比较边界误差、帧时间和纹理采样成本，而不是只看平均 FPS。

不要把 lookup 当成“永远更快”。动态光源、动态对象或频繁变化的 soft edge 会增加更新纹理的成本；静态镜头中，它才有机会把解析函数从每个片元的热路径移到预计算阶段。

7. 实验：用一盏灯做一次电影化决策

猜一猜：把 barn shaping 的 soft edge 调硬，光斑会先改变边界还是中心亮度？把 shadow density 降低后，为什么画面不是“完全没有阴影”？最后切换 lookup texture，画面应保持近似不变，变化的主要应该是计算路径。

实验中，omni 用径向范围表达光，barn 用方向性截断体积表达光斑。soft edge 只改变边界的过渡宽度；shadow density 只改变遮挡贡献的权重；cookie 在光源空间中加入图案；关闭 specular 则模拟“阴影里不要出现会抢戏的高光”。最后两个按钮把“艺术选择”和“性能选择”并列出来：lookup 不应该改变你已经调好的光型。

小结：把光照变成可解释的控制面

• uberlight 把 selection、color、shaping、shadowing 和 texturing 放进同一套可编程接口。
• omni 适合径向衰减；barn shaping 用 near/far、宽高、soft edge、superellipse 和 shear 造出方向性光斑。
• shadow map 只提供遮挡信息；暗部仍可保留 ambient、diffuse，或关闭 specular。
• light space 坐标同时服务 shaping、cookie 和 shadow map，但三者语义要分开调试。
• lookup texture 能把稳定的解析函数移出片元热路径；动态场景要权衡缓存更新成本。