GPU Gems 1 · Chapter 12. Omnidirectional Shadow Mapping

直觉引入：让点光源在黑暗房间里转一圈

想象一盏裸灯放在房间中央。它照向天花板、地板和四面墙，任何方向都可能产生遮挡。平面 shadow map 像一台只朝前拍摄的相机；要让它回答光从哪个方向到达这个点，需要把相机围着光源转六次，并把六张深度照片装进一个 cubemap。

创建 cubemap 时记录的是每个方向遇到的最近遮挡距离。渲染接收物体时，计算接收点到光源的方向与距离，沿该方向取出最近遮挡距离并比较。如果接收点更远，它被挡住；如果更近，它仍然可见。

1. 从普通 shadow mapping 到 point light

shadow mapping 的基本流程是：先从光源视角渲染深度纹理，再在正常相机的片元 shader 中把当前点送进 light space，最后比较当前深度和纹理深度。

point light 与方向光不同：方向光可以用一张正交投影图，点光源必须根据接收点的 light direction 选择 cubemap face。

omnidirectional cubemap 把全方向采样交给硬件。每个 face 都应使用 90 度视场和正确的 up 向量；面矩阵错位会表现为接缝、跳面或某些方向没有阴影。

章节将 cubemap 作为六个 shadow map 的容器。采样方向既决定选择哪一面，也决定该面上的纹理坐标；因此 face 的朝向和 light vector 的坐标空间必须统一。

2. 创建与投影：两阶段距离比较

shadow-map creation 只关注 cast shadow 的对象。动态场景每帧重渲染，静态场景可以预计算；点光源移动时，cubemap 仍需跟着光源更新。

shadow projection 要完成四件事：算 light direction、采样 cubemap、算当前点距离、用 bias 比较两者。

squared distance 让两个阶段使用同一度量。令 v 为光源到当前点的向量，则 d2 = dot(v, v)。这是一次点积，不需要 square root；代价是远距离数值范围更大，需要关注纹理精度。

vec3 vLight = worldPosition - lightPosition;
float fDistSquared = dot(vLight, vLight);
return fDistSquared;

创建阶段把 fDistSquared 写入当前 cubemap face；投影阶段用接收点的 fDistSquared 减去 depth bias，再与 cubemap sample 比较。两边必须使用同一坐标空间和尺度。

3. 六面渲染与深度格式

每个 cubemap face 都是一次 90 度的光源视角渲染，方向为 +x、-x、+y、-y、+z、-z。实现可以用六次普通 pass，也可以用硬件的 layered rendering 减少状态切换；算法语义不变。

RGBA depth packing 可以在缺少浮点纹理时保存 32 位深度。浮点 cubemap 代码直观、精度高，但硬件支持和访问速度有限；RGBA pack 更普遍，却增加编码、解码和量化误差。

选择格式时还要计算六面显存。一个 1024×1024、32 位、六面 cubemap 还需要额外深度缓冲；分辨率提升会改善阴影质量，也会增加创建渲染、纹理带宽和显存成本。

vec4 packDistance(float d2) {
  vec4 scale = vec4(1.0, 256.0, 65536.0, 16777216.0);
  return fract(d2 * scale);
}
 
float unpackDistance(vec4 packed) {
  vec4 weight = vec4(1.0, 1.0 / 256.0,
                     1.0 / 65536.0, 1.0 / 16777216.0);
  return dot(packed, weight);
}

这里的 pack 是示意，真实实现还要处理通道精度、范围归一化和边界溢出。浮点与 RGBA 两条路径都必须使用同一 bias 和距离尺度。

4. z-only pass 与逐灯累加

z-only pass 是多光源场景的重要优化。完成一次深度预处理后，每盏灯的 shadow-writing 与 shading pass 都可以用深度测试跳过隐藏片元；透明对象不应写入这个 pass。

一盏灯的逻辑可以压缩成：

for (int light = 0; light < lightCount; light++) {
  for (int face = 0; face < 6; face++) {
    renderCastersToCubeFace(light, face);
  }
  for (Object object : visibleObjects) {
    shadeWithOmniShadow(object, light);
  }
}

第一层循环填充 cubemap，第二层循环投影并累加 lighting × shadow。点光源数量增加时，六面创建成本和逐灯 shading 成本都会增加；静态 cubemap 缓存可以把创建阶段移出每帧热路径。

5. projection 与 bias：先判断遮挡，再决定颜色

当前点的平方距离减去 bias 后，与对应方向的 cubemap 距离比较。如果当前值更大，点在遮挡物后方；如果 bias 太小，自身深度误差会产生 acne；如果 bias 太大，接触阴影会被推开并漏光。

float current = dot(vLight, vLight) - depthBias;
float mapDistance = sampleCubeDistance(-vLight);
float shadow = current > mapDistance ? 1.0 : 0.0;
vec3 litColor = lightingColor * (1.0 - shadow);

这个片元段只展示 hard shadow。真实项目还要考虑 cube face 接缝、过滤、半精度与深度范围；排错时应分别可视化方向、当前 d2、map d2 和最终 shadow coefficient。

6. 软阴影只是多方向比较的近似

omnidirectional PCF 不是物理面积光源。它把采样方向在 cubemap 周围散开，再平均比较结果，从视觉上减轻硬边和 aliasing；它没有显式建模遮挡者、接收者与光源面积。

float shadow = 0.0;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
  vec3 direction = -vLight + filterOffsets[i];
  float mapDistance = sampleCubeDistance(direction);
  shadow += current < mapDistance ? 0.0 : 0.25;
}

过滤半径越大，边缘越软，但需要更多 fetch 才能避免 banding；把方向计算移到顶点阶段可以节省片元指令。多次采样要与 cubemap 分辨率、bias 和缓存命中一起评估。

7. 实验：让光源绕着遮挡物走一圈

猜一猜：先切换到 RGBA pack，再把 bias 拉到最小；你应该看到精度和自遮挡伪影变得更敏感。切到 soft 后增大 filter radius，边界会变软，但 sample 数和纹理 fetch 也会增加。最后隐藏六面 cubemap，观察画面仍保留接收面，但无法直观看见方向覆盖。

实验将四类工程选择分开：storage 决定深度格式，shadow mode 决定单次还是多次比较，resolution 表示六面纹理预算，bias 与 filter radius 分别影响接触稳定性和软边宽度。这样排查时可以先判断是 face 方向错、距离格式错，还是过滤参数错。

小结：全方向阴影是 cubemap 加距离比较

• 点光源向所有方向发光，必须用六个 cubemap face 覆盖正负 x、y、z。
• 创建阶段从光源视角写入遮挡物的 squared distance，投影阶段用接收点距离与对应方向的 map distance 比较。
• 浮点 cubemap 直观且精度高；RGBA depth packing 兼容性好，但需要一致的 pack/unpack。
• z-only pass 先建立可见深度，后续逐灯执行 shadow map 与 lighting 的 multipass。
• 多方向采样可以近似软阴影，但样本、过滤半径和 bias 都会影响质量与性能。