GPU Gems 2 · Chapter 17. Efficient Soft-Edged Shadows Using Pixel Shader Branching

学习目标

• 能说明 shadow map 与 stencil shadow volume 的适用边界，以及为什么 PCF 可以从单张 shadow map 得到软边缘
• 能把多个偏移 depth comparisons 平均成 percentage-closer filtering，而不是直接模糊 depth 值
• 能用 stratified/jittered offsets 将规则采样 banding 转换为可隐藏的高频误差
• 能设计“少量 estimator → penumbra 扩采样 → fully lit/dark early-out”的 adaptive branch
• 能评估动态 branching 的局部 coherence、shadow acne/bias 和纹理带宽成本

软阴影的关键是把“光源有面积”转成屏幕上可控的半影。shadow map只需一张：在当前 fragment 的投影坐标附近反复查询它，而不必为每个 area-light sample 重渲染整套 shadow map。

1. PCF：平均比较结果而非深度

percentage-closer filtering先把 fragment 变换到 light space，得到 projected coordinate 和 receiver depth。每次 texture comparison 返回“该 offset 是否被遮挡”的比例，再对这些结果求平均。offset radius 越大，边缘看起来越软；它不改变 shadow map 中的 z，也就不会制造虚假的中间表面。

直接用固定规则 offset 在很小 penumbra 上有效，但半影变宽后需要很多 sample，否则各个离散硬边会形成 banding。PCF 是视觉近似，不是物理精确的 area-light visibility；它的优势是兼容普通 shadow-map pipeline，代价集中在 fragment texture bandwidth。

2. jittered sampling 让误差不再成带

stratified jittered sampling把 square domain 分成若干 strata，在每格内随机取一个点，再做 area-preserving square-to-disk warp。这样 disk 中心和边缘不会因为简单极坐标映射产生密度偏差。

每个像素使用略有不同的 offset 序列，规则误差被换成更高频的 noise；视觉上通常比明显条带更容易接受。jitter map可以把生成成本移出渲染 loop，并让相邻屏幕区域使用不同序列。两个二维 offset 可以打包进一个 RGBA texel，减少纹理深度和读取次数。

3. 只在 penumbra 做高成本采样

大多数像素不是半影：它们完全亮或完全暗，一次比较通常就足够。penumbra才是高采样预算的目标。先用少量、也经过 jitter 的 estimator samples 估计局部 coverage；若结果接近 0 或 1，直接返回；若落在中间区域，再执行完整 PCF。

这种 adaptive sampling 把固定的 64 samples 变成“估计成本 + 只有必要像素的完整成本”。但 branch 本身有代价：GPU 以 tile/warp 为单位并行，如果同一局部既有 fully lit 又有 penumbra，路径会发散，跳过的采样不一定能转化为吞吐收益。

4. branch coherence 与 shadow acne

branch coherence决定 adaptive 分支的实际收益。让 estimator 取样具有空间连续性，或让 jitter 频率足够高但不让 branch classification 在相邻像素间剧烈抖动，通常更容易保持 coherence。

shadow acne 是 shadow map 深度精度和重采样造成的自遮挡伪影。常见缓解方式是用 back faces 生成 shadow map，把 acne 移到不受当前光源照亮的面；也可以使用 depth bias 或 midpoint shadow map。若 estimator 在背光面仍错误地判断为 penumbra，会让分支 coherence 和成本都变差，因此应把 dot(N, L) <= 0 等表面朝向信息纳入判定。

5. 动手实验：质量和 early-out 预算

下面的实验把 PCF samples、penumbra radius、branch coherence 和 adaptive mode 暴露出来。提高 samples 会降低 banding；提高 penumbra 会要求更可靠的覆盖；coherence 越高，adaptive early-out 越可能真正省下工作。

Adaptive soft-shadow 实验

观察 PCF 样本、penumbra、分支一致性与 early-out 如何共同影响阴影质量和成本。

PCF samples：32penumbra radius：46%branch coherence：78%启用 adaptive early-out

先估计再扩采样；局部路径越 coherent，early-out 越有价值。 高 penumbra 仍需要更多 offsets。

重置

小结

• shadow map 保持 light-space depth，PCF 对多次 depth comparison 求平均，产生软边缘。
• stratified/jittered offsets 与 jitter map 打散规则采样，缓解宽半影的 banding。
• estimator 先区分 fully lit/dark 与 penumbra，只有后者执行高成本 PCF。
• branch coherence 是 fragment branching 能否加速的关键；路径发散会损失并行度。
• 处理 shadow acne、bias、背面 shadow map 与 projection 限制，才能让估计稳定。

练习

问题 1｜PCF 数据　为什么 PCF 应该平均 shadow comparisons，而不是先把 shadow map 的 depth 做 blur？

查看答案

shadow map 的 depth 代表遮挡表面在 light space 的 z，直接 blur 会把不同表面混成不存在的深度。PCF 保持每个 z 不变，对多个 offset 做“是否遮挡”的比较，再平均这些 coverage 结果，得到软边缘。

问题 2｜采样分布　如何用 jittered sampling 减少大 penumbra 的 banding？

查看答案

将 square domain 划成等面积 strata，每格随机取一点，再用面积保持的映射变到 disk；每个像素使用不同序列。覆盖仍然均匀，但规则 grid 的重复误差会变成更容易被视觉隐藏的高频噪声，可把 offsets 预存到 jitter map。

问题 3｜adaptive branch　为什么“先估计、再按需扩采样”不一定加速？实现时应检查什么？

查看答案

GPU 同时运行邻近 fragment；若 branch divergent，不同路径会破坏并行，跳过的纹理读取可能抵不过分支成本。应让 estimator 保持局部 branch coherence，只对接近 0/1 的 fully lit/dark 像素 early-out，并校验 shadow acne、bias 和 penumbra 估计。

名词解释

本章出现的专业名词，用大白话再讲一遍。

shadow map

从光源视角渲染的 light-space 深度纹理。

percentage-closer filtering

平均多个深度比较结果以产生软阴影边缘的过滤方法。

stratified jittered sampling

在等面积 strata 内扰动采样，再映射到 disk 的分布策略。

jitter map

保存多组 per-pixel 随机 offset 序列的预计算纹理。

penumbra

软阴影从亮到暗的过渡区域。

branch coherence

相邻 fragment 选择相同动态分支、维持并行执行的程度。

shadow acne

shadow-map 深度精度/采样造成的自遮挡伪影。