具有定向光正交投影的 OpenGL 3+

我目前遇到来自移动（类似太阳）光源的定向光阴影贴图的问题。

当我最初实现时，光投影矩阵被计算为 3D，并且阴影贴图看起来很漂亮。然后我了解到，对于我想要做的事情，正交投影效果会更好，但我很难替换正确的投影矩阵。

正如人们所期望的那样，每次滴答声，太阳都会沿着圆周移动一定的距离。我使用自制的“lookAt”方法来确定正确的观察矩阵。例如，白天的时间是早上 6 点到下午 6 点。当太阳位于上午 9 点位置（45 度）时，它应该查看原点并将阴影贴图渲染到帧缓冲区。正交投影似乎发生的情况是它不会向原点“倾斜”。它只是继续沿着 Z 轴直视。上午 6 点和下午 6 点情况看起来不错，但例如中午 12 点，则完全没有任何显示。

我的设置方式如下：

原始3D投影矩阵：

Matrix4f projectionMatrix = new Matrix4f();
float aspectRatio = (float) width / (float) height;

float y_scale = (float) (1 / cos(toRadians(fov / 2f)));
float x_scale = y_scale / aspectRatio;
float frustum_length = far_z - near_z;

projectionMatrix.m00 = x_scale;
projectionMatrix.m11 = y_scale;
projectionMatrix.m22 = (far_z + near_z) / (near_z - far_z);
projectionMatrix.m23 = -1;
projectionMatrix.m32 = -((2 * near_z * far_z) / frustum_length);

观察方法：

public Matrix4f lookAt( float x, float y, float z,
                      float center_x, float center_y, float center_z ) {
  Vector3f forward = new Vector3f( center_x - x, center_y - y, center_z - z );
  Vector3f up      = new Vector3f( 0, 1, 0 );

  if ( center_x == x && center_z == z && center_y != y ) {
    up.y = 0;
    up.z = 1;
  }

  Vector3f side = new Vector3f();

  forward.normalise();

  Vector3f.cross(forward, up, side );
  side.normalise();

  Vector3f.cross(side, forward, up);
  up.normalise();

  Matrix4f multMatrix = new Matrix4f();
  multMatrix.m00 = side.x;
  multMatrix.m10 = side.y;
  multMatrix.m20 = side.z;
  multMatrix.m01 = up.x;
  multMatrix.m11 = up.y;
  multMatrix.m21 = up.z;
  multMatrix.m02 = -forward.x;
  multMatrix.m12 = -forward.y;
  multMatrix.m22 = -forward.z;

  Matrix4f translation = new Matrix4f();
  translation.m30 = -x;
  translation.m31 = -y;
  translation.m32 = -z;

  Matrix4f result = new Matrix4f();

  Matrix4f.mul( multMatrix, translation, result );
  return result;
}

正交投影（使用宽度 100，高度 75，近 1.0，远 100 ）我已经尝试过使用许多不同的值：

Matrix4f projectionMatrix = new Matrix4f();

float r = width * 1.0f;
float l = -width;
float t = height * 1.0f;
float b = -height;

projectionMatrix.m00 = 2.0f / ( r - l );
projectionMatrix.m11 = 2.0f / ( t - b );
projectionMatrix.m22 = 2.0f / (far_z - near_z);
projectionMatrix.m30 = - ( r + l ) / ( r - l );
projectionMatrix.m31 = - ( t + b ) / ( t - b );
projectionMatrix.m32 = -(far_z + near_z) / (far_z - near_z);
projectionMatrix.m33 = 1;

阴影贴图顶点着色器：

#version 150 core

uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;

in vec4 in_Position;

out float pass_Position;

void main(void) {
  gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * in_Position;
  pass_Position = gl_Position.z;
}

阴影贴图片段着色器：

#version 150 core

in vec4 pass_Color;
in float pass_Position;

layout(location=0) out float fragmentdepth;

out vec4 out_Color;

void main(void) {
  fragmentdepth = gl_FragCoord.z;
}

我觉得我在这里错过了一些非常简单的东西。正如我所说，这对于 3D 投影矩阵来说效果很好，但我希望用户在世界各地旅行时阴影保持不变，这对于定向照明和正交投影来说很有意义。

实际上，谁告诉您使用正交投影矩阵对于阴影贴图来说是个好主意？这可能适用于像太阳这样的物体，它们实际上是无限远的，但对于局部灯光来说透视是非常相关的。不过，您必须小心使用透视投影和阴影贴图，因为采样频率随距离而变化，并且您最终会在某些距离上获得很高的精度，而在其他距离上则不够，除非您通常使用级联或透视变形之类的东西；不过，这可能超出了您目前应该考虑的范围：）

此外，正交投影矩阵与透视图一样都是 3D 的，因为它们通过将 3D“图像”投影到 2D 观看平面上来工作……它们与透视图之间的唯一区别是平行线保持平行。换句话说，(x,y,near) 和 (x,y,far) 理想地在正交投影中投影到屏幕上的同一位置。


您的使用gl_FragCoord.z在片段着色器中是不寻常的。由于这是写入深度缓冲区的值，因此您不妨编写NOTHING在片段着色器中并重新使用深度缓冲区。除非您的实现不支持浮点深度缓冲区，否则您会将深度写入两个位置，从而浪费内存带宽。仅深度传递glColorMask (GL_FALSE, GL_FALSE, GL_FALSE, GL_FALSE)在构建阴影贴图时通常会获得更高的吞吐量。

如果您实际使用了pass_Position（这是剪辑空间中的非透视校正 Z 坐标），我可以看到使用单独的颜色附件来编写此内容，但您正在编写透视校正深度范围调整深度（gl_FragDepth） 现在。

无论如何，当太阳直接位于头顶并且您使用正交投影时，预计不会投射任何阴影。这又回到了我之前解释过的属性，即平行线保持平行。由于物体与太阳的距离对物体的投影位置（正交）没有影响，因此如果物体位于正上方，您将不会看到任何阴影。尝试沿着球体而不是圆跟踪太阳的位置，以尽量减少这种情况。