Mapeo de sombras

El primer paso consiste en representar la escena desde el punto de vista de la luz. Para una fuente de luz puntual, la proyección debe ser una perspectiva tan amplia como el ángulo de efecto deseado (será una especie de foco cuadrado). Para la luz direccional (por ejemplo, la del Sol ), se debe utilizar una proyección ortográfica .

A partir de este renderizado, se extrae y guarda el búfer de profundidad. Dado que solo la información de profundidad es relevante, es común evitar actualizar los búferes de color y desactivar todos los cálculos de iluminación y textura para este renderizado, con el fin de ahorrar tiempo de dibujo. Este mapa de profundidad suele almacenarse como una textura en la memoria gráfica.

Este mapa de profundidad debe actualizarse cada vez que haya cambios en la luz o en los objetos de la escena, pero puede reutilizarse en otras situaciones, como aquellas en las que solo se mueve la cámara de visualización. (Si hay varias luces, se debe usar un mapa de profundidad independiente para cada una).

En muchas implementaciones, resulta práctico renderizar solo un subconjunto de los objetos de la escena en el mapa de sombras para ahorrar tiempo al redibujarlo. Asimismo, se puede aplicar un desplazamiento de profundidad que aleje los objetos de la luz durante la renderización del mapa de sombras para intentar solucionar problemas de unión cuando el valor del mapa de profundidad es cercano a la profundidad de la superficie que proyecta la sombra en el siguiente paso. Como alternativa, a veces se opta por descartar las caras frontales y renderizar solo la parte posterior de los objetos en el mapa de sombras para obtener un resultado similar.

El segundo paso consiste en dibujar la escena desde el punto de vista habitual de la cámara , aplicando el mapa de sombras. Este proceso tiene tres componentes principales. El primer paso es encontrar las coordenadas del objeto vistas desde la luz, ya que un objeto 3D solo utiliza coordenadas 2D con ejes X e Y para representar su forma geométrica en pantalla; estas coordenadas de vértice coincidirán con los bordes correspondientes de las partes sombreadas dentro del propio mapa de sombras (mapa de profundidad). El segundo paso es la prueba de profundidad, que compara los valores z del objeto con los valores z del mapa de profundidad, y finalmente, una vez completado, el objeto debe dibujarse en sombra o iluminado.

Coordenadas del espacio de luz

Para contrastar un punto con el mapa de profundidad, su posición en las coordenadas de la escena debe transformarse en la posición equivalente vista por la luz. Esto se logra mediante una multiplicación de matrices . La ubicación del objeto en la pantalla se determina mediante la transformación de coordenadas habitual , pero se debe generar un segundo conjunto de coordenadas para ubicar el objeto en el espacio de la luz.

La matriz utilizada para transformar las coordenadas del mundo en las coordenadas de visión de la luz es la misma que la utilizada para renderizar el mapa de sombras en el primer paso (en OpenGL , esta es el producto de las matrices de modelo, vista y proyección). Esto producirá un conjunto de coordenadas homogéneas que necesitan una división de perspectiva ( véase proyección 3D ) para convertirse en coordenadas de dispositivo normalizadas , en las que cada componente ( x , y o z ) se encuentra entre -1 y 1 (si es visible desde la vista de la luz). Muchas implementaciones (como OpenGL y Direct3D ) requieren una multiplicación adicional de matrices de escala y sesgo para mapear esos valores de -1 a 1 a 0 a 1, que son coordenadas más habituales para la búsqueda de mapas de profundidad (mapas de textura). Este escalado se puede realizar antes de la división de perspectiva y se integra fácilmente en el cálculo de transformación anterior multiplicando esa matriz por lo siguiente:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}0.5&0&0&0.5\\0&0.5&0&0.5\\0&0&0.5&0.5\\0&0&0&1\end{bmatrix}}}$

Si se realiza con un sombreador u otra extensión de hardware gráfico, esta transformación se aplica normalmente a nivel de vértice, y el valor generado se interpola entre otros vértices y se pasa al nivel de fragmento.

Prueba de mapa de profundidad

Una vez que se encuentran las coordenadas del espacio de luz, los valores x e y generalmente corresponden a una ubicación en la textura del mapa de profundidad, y el valor z corresponde a su profundidad asociada, que ahora se puede comparar con el mapa de profundidad.

Si el valor z es mayor que el valor almacenado en el mapa de profundidad en la ubicación ( x , y ) correspondiente, el objeto se considera que está detrás de un objeto que lo ocluye y debe marcarse como un fallo , para ser dibujado en sombra durante el proceso de dibujo. De lo contrario, debe dibujarse iluminado.

Si la ubicación ( x , y ) cae fuera del mapa de profundidad, el programador debe decidir si la superficie debe estar iluminada o sombreada por defecto (normalmente iluminada).

En una implementación de sombreado , esta prueba se realizaría a nivel de fragmento. Además, es necesario tener cuidado al seleccionar el tipo de almacenamiento de mapas de texturas que utilizará el hardware: si no se puede realizar la interpolación, la sombra aparecerá con un borde afilado y dentado (un efecto que se puede reducir con una mayor resolución del mapa de sombras).

Es posible modificar la prueba del mapa de profundidad para producir sombras con bordes suaves utilizando un rango de valores (en función de la proximidad al borde de la sombra) en lugar de simplemente aprobar o reprobar.

La técnica de mapeo de sombras también puede modificarse para dibujar una textura sobre las regiones iluminadas, simulando el efecto de un proyector . La imagen superior, titulada "Visualización del mapa de profundidad proyectado sobre la escena", es un ejemplo de este proceso.

Dibujando la escena

El dibujo de la escena con sombras se puede realizar de varias maneras. Si se dispone de sombreadores programables , la prueba del mapa de profundidad se puede realizar mediante un sombreador de fragmentos que simplemente dibuja el objeto en sombra o iluminado según el resultado, dibujando la escena en una sola pasada (después de una pasada inicial para generar el mapa de sombras).

Si no se dispone de sombreadores, la realización de la prueba del mapa de profundidad normalmente debe implementarse mediante alguna extensión de hardware (como GL_ARB_shadow ), que normalmente no permite elegir entre dos modelos de iluminación (iluminado y sombreado) y requiere más pasadas de renderizado:

1. Renderiza toda la escena en sombra. Para los modelos de iluminación más comunes ( ver modelo de reflexión de Phong ), técnicamente esto debería hacerse utilizando solo el componente ambiental de la luz, pero generalmente se ajusta para incluir también una luz difusa tenue para evitar que las superficies curvas parezcan planas en la sombra.
2. Habilita la prueba del mapa de profundidad y renderiza la escena iluminada. Las áreas donde falle la prueba del mapa de profundidad no se sobrescribirán y permanecerán en sombra.
3. Se puede utilizar una pasada adicional para cada luz adicional, empleando la fusión aditiva para combinar su efecto con las luces ya dibujadas. (Cada una de estas pasadas requiere una pasada previa adicional para generar el mapa de sombras correspondiente).

Las imágenes de ejemplo de este artículo utilizaron la extensión OpenGL GL_ARB_shadow_ambient para realizar el proceso de mapeo de sombras en dos pasadas.

• SSM "Simple"

• PSSM "División en paralelo" https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems3/gpugems3_ch10.html
• CSM "Cascada" http://developer.download.nvidia.com/SDK/10.5/opengl/src/cascaded_shadow_maps/doc/cascaded_shadow_maps.pdf

• LiSPSM "Perspectiva del espacio de la luz" https://www.cg.tuwien.ac.at/research/vr/lispsm/
• TSM "Trapecio" http://www.comp.nus.edu.sg/~tants/tsm.html
• PSM "Perspectiva" http://www-sop.inria.fr/reves/Marc.Stamminger/psm/
• CSSM "Espacio de la cámara" http://bib.irb.hr/datoteka/570987.12_CSSM.pdf

• PCF "Filtrado de porcentaje de proximidad" https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems/gpugems_ch11.html

• ESM "Exponencial" https://discovery.ucl.ac.uk/id/eprint/10001/1/10001.pdf
• CSM "Convolución" https://doclib.uhasselt.be/dspace/bitstream/1942/8040/1/3227.pdf
• VSM "Varianza" http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.104.2569&rep=rep1&type=pdf
• SAVSM "Varianza de área sumada" https://developer.nvidia.com/gpugems/gpugems3/part-ii-light-and-shadows/chapter-8-summed-area-variance-shadow-maps
• SMSR "Revectorización de siluetas de mapas de sombras" http://bondarev.nl/?p=326

• PCSS "Porcentaje de acercamiento" http://developer.download.nvidia.com/shaderlibrary/docs/shadow_PCSS.pdf
• VSSM "Mapeo de sombras suaves de variación" https://jankautz.com/publications/VSSM_PG2010.pdf
• SSSS "Sombras suaves en el espacio de la pantalla" http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/b10648-36
• FIV "Vector de Irradiancia de Esfera Completa" http://getlab.org/publications/FIV/

• ASM "Adaptativo" https://www.cs.cornell.edu/~kb/publications/ASM.pdf
• AVSM "Volumétrico Adaptativo" https://web.archive.org/web/20101208213624/http://visual-computing.intel-research.net/art/publications/avsm/
• CSSM "Espacio de cámara" http://free-zg.t-com.hr/cssm/
• DASM "Adaptativo profundo"
• DPSM "Paraboloide dual" http://sites.google.com/site/osmanbrian2/dpsm.pdf
• DSM "Deep" http://graphics.pixar.com/library/DeepShadows/paper.pdf
• FSM "Adelante" http://www.cs.unc.edu/~zhangh/technotes/shadow/shadow.ps
• LPSM "Logarítmico" http://gamma.cs.unc.edu/LOGSM/
• MDSM "Profundidad Múltiple" http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.59.3376&rep=rep1&type=pdf
• RTW "Rectilíneo" http://www.cspaul.com/wiki/doku.php?id=publications:rosen.2012.i3d
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• SPPSM "Perspectiva del plano separador" http://image.diku.dk/projects/media/morten.mikkelsen.07.pdf
• SSSM "Silueta de sombra" http://graphics.stanford.edu/papers/silmap/silmap.pdf