Shadow Map -- 點陰影（全方位）-有解無憂

　　昨晚終于把點陰影（深度CubeMap）程式調通了，思想不難，基本就是在上節定向光陰影基礎上稍作修改，但是CG程式不太方便Debug，需要輸出中間效果圖進行判斷，耽擱了一會兒，

　　程序如下：

　　1、將深度渲染到CubeMap上

　　為了以后使用方便，在Texture檔案中擴展功能，添加一個生成CubeMap的函式

GLuint WKS::CubeMap::GenDepthCubeMap(GLuint width, GLuint height) {
    glGenTextures(1, &this->textureID);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, this->textureID);
    for (GLuint i = 0; i < 6; i++) {
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X + i, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, NULL);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    }
    glBindTexture(GL_TEXTURE_CUBE_MAP, 0);
    return this->textureID;
}

　　同樣為了以后方便，在DefferredShading檔案中擴展功能，添加附加深度CubeMap到幀緩沖的函式

（注：暫時遇到一點奇怪的問題，同時添加顏色緩沖紋理和2D深度緩沖紋理（或深度緩沖物件RBO）是沒有問題的，但是如果是深度CubeMap，同時再添加顏色緩沖紋理就會報錯，現在沒找到解決辦法，不過做陰影渲染只需要深度CubeMap，額……）

void DeferredShading::setupDepthBufferByCubeMap(GLuint texId) {
    this->BindGBuffer();
    glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, texId, 0);
    //檢查幀緩沖是否完整
    if (glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE)
        std::cout << "ERROR::FRAMEBUFFER:: Depth CubeMap is not added to FrameBuffer correctly!" << std::endl;
    else std::cout << "Successful:: Depth CubeMap is added to FrameBuffer correctly" << std::endl;
    this->BindDefaultBuffer();
}

　　既然渲染深度到CubeMap，那么就需要6個方向的view矩陣，并傳入shader，故新建了個ShadowMap檔案完成這些操作，

//ShadowMap.h

#pragma once
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <glm/gtc/type_ptr.hpp>
#include "../BaseFile/Shader.h"

class ShadowMap
{
public:
    ShadowMap();
    ~ShadowMap();
    void updateLightSpaceMatrix(glm::vec3 lightPos);
    void transmitMat2Shader(Shader* shader);

private:
    void setup();

private:
    glm::mat4 shadowProj;
    std::vector<glm::mat4> shadowTransforms;
};

//ShadowMap.cpp

#include "./ShadowMap.h"


ShadowMap::ShadowMap()
{
    this->setup();
}

ShadowMap::~ShadowMap()
{
}

void ShadowMap::setup() {
    this->shadowProj = glm::perspective(glm::radians(90.0f), 800.0f / 800, 1.0f, 100.0f);
}

void ShadowMap::updateLightSpaceMatrix(glm:: vec3 lightPos) {
    this->shadowTransforms.clear();
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(1.0, 0.0, 0.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(-1.0, 0.0, 0.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, 1.0, 0.0), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0), glm::vec3(0.0, 0.0, -1.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
    shadowTransforms.push_back(shadowProj * glm::lookAt(lightPos, lightPos + glm::vec3(0.0, 0.0, -1.0), glm::vec3(0.0, -1.0, 0.0)));
}

void ShadowMap::transmitMat2Shader(Shader* shader) {
    shader->use();
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        std::string name = "shadowMatrices["+std::to_string(i)+"]";
        shader->setMat4(name, this->shadowTransforms[i]);
    }
}

　　現在來看看著色器咋樣的^_^

　　我們不必在 OpenGL 程式中控制 View ，渲染六遍，將六個方向的深度分別渲染到 CubeMap 的各個面上，幾何著色器可以幫助完成這一點，幾何著色器中有一個內建變數 gl_Layer ，可以控制當前渲染的圖元輸出到CubeMap哪一個面，故我們只需要將每個圖元在幾何著色器中渲染六次，且每次指定輸出到一個面，當然得配合傳入的對應的 view * projection 矩陣，這樣就實作渲染六個方向的深度到CubeMap，

頂點著色器：只需將頂點坐標變換到世界坐標（乘以 model matrix），輸出到幾何著色器，

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;

uniform mat4 model;

void main()
{
    gl_Position = model * vec4(position, 1.0);
}

幾何著色器：需要傳入六個view*projection矩陣，通過 gl_Layer 內建變數生成每個方向的深度圖，

#version 330 core
layout (triangles) in;
layout (triangle_strip, max_vertices=18) out;

uniform mat4 shadowMatrices[6];

out vec4 FragPos; // FragPos from GS (output per emitvertex)

void main()
{
    for(int face = 0; face < 6; ++face)
    {
        gl_Layer = face; // built-in variable that specifies to which face we render.
        for(int i = 0; i < 3; ++i) // for each triangle's vertices
        {
            FragPos = gl_in[i].gl_Position;
            gl_Position = shadowMatrices[face] * FragPos;
            EmitVertex();
        }    
        EndPrimitive();
    }
}

片段著色器：傳入光源位置、遠平面距離，計算當前片元到光源的距離 / 遠平面距離，輸出到深度值，

#version 330 core
in vec4 FragPos;

uniform vec3 lightPos;
uniform float far_plane;

void main()
{
    // get distance between fragment and light source
    float lightDistance = length(FragPos.xyz - lightPos);

    // map to [0;1] range by dividing by far_plane
    lightDistance = lightDistance / far_plane;
    // write this as modified depth
    gl_FragDepth = lightDistance;
}

　　這樣就完成了深度CubeMap生成，

　　為了測驗深度CubeMap是否正確，可以用天空盒的方式顯示生成的CubeMap，

　　當然了也可以在后續的渲染陰影中，用采樣CubeMap的深度值代替顏色值顯示深度，這樣還可以稍作修改顯示實際的深度值（當前片元與光源的距離值），兩者直接對比，可以檢測第一步（First Pass）是否有問題，

　　展示一下我實作的采樣CubeMap深度值顯示（左圖）與實際深度值顯示（右圖）的對比：

　　2、使用深度CubeMap渲染全方位陰影

　　這一部分就很簡單了，很往常渲染基本一樣，只需要添加陰影判斷，

　　在片段著色器中傳入深度CubeMap：

uniform samplerCube shadowMap;

　　計算當前的片元的深度，并判斷是否在陰影中：

float ShadowCalculation(vec3 fragPos)
{
    vec3 light2Frag=fragPos-spotLight.position;
    float closestDepth = texture(shadowMap, light2Frag).r;
    closestDepth*=far_plane;
    float currentDepth=length(light2Frag);
    float shadow = currentDepth-0.05f > closestDepth  ? 1.0 : 0.0;
    return shadow;
}

　　使用這個陰影判斷值計算光照值：

color=vec4(result*(1.0f-shadow)+ambient,1.0f);

　　效果圖：

　　OK，至此完成了Shadow Map的總結啦 ^_^，

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