[OpenGL]使用OpenGL实现硬阴影效果

刘好念2024-11-10 16:00

一、简介

本文介绍了如何使用OpenGL实现硬阴影效果，并在最后给出了全部的代码。本文基于[OpenGL]渲染Shadow Map，实现硬阴影的流程如下：

  • 首先，以光源为视角，渲染场景的深度图，将light space中的深度图存储到深度缓冲depthTextur中。
  • 然后，以相机为视角，渲染场景。在fragment shader中根据各个片段在light space中的实际深度的与depthTexture中对应坐标中的深度值作对比，假如实际深度大于depthTexture中深度值，说明在light space中，该片段对应的三角面片（点）会被场景中的其他三角面片遮挡，因此在阴影中。否则，说明不在阴影中。

按照本文代码实现完成后，理论上可以得到如下结果：

二、使用OpenGL实现硬阴影

0. 环境需要

  • Linux，或者 windos下使用wsl2。

  • 安装GLFW和GLAD。请参考[OpenGL] wsl2上安装使用cmake+OpenGL教程。

  • 安装glm。glm是个可以只使用头文件的库，因此可以直接下载release的压缩文件，然后解压到include目录下。例如，假设下载的release版本的压缩文件为glm-1.0.1-light.zip。将glm-1.0.1-light.zip复制include目录下，然后执行以下命令即可解压glm源代码：

    shell 复制代码 
    unzip glm-1.0.1-light.zip

  • 需要下载 stb_image.h 作为加载.png图像的库。将 stb_image.h 下载后放入include/目录下。

1. 项目目录

其中：

  • Mesh.hpp 包含了自定义的 Vertex, Texture, 和 Mesh 类，用于加载 obj 模型、加载图片生成纹理。
  • Shader.hpp 用于创建 shader 程序。
  • shadowMap.vert 和shadowMap.frag是用于 渲染shadow map 的 顶点着色器 和 片段着色器 代码，该shader以light为视角，渲染得到light space下的深度图，并将其存储到depthTexture中。
  • BlinnPhong.vert 和BlinnPhong.frag是用于 渲染场景，根据depthTexture实现阴影效果的 顶点着色器 和 片段着色器 代码。

下面介绍各部分的代码：

2. CMakeLists.txt代码

cpp 复制代码 
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

project(OpenGL_Shadow_Mapping)

include_directories(include)

find_package(glfw3 REQUIRED)
file(GLOB project_file main.cpp glad.c)
add_executable(${PROJECT_NAME} ${project_file})
target_link_libraries(${PROJECT_NAME} glfw)

3. Mesh.hpp 代码

Mesh.hpp 代码与[OpenGL]渲染Shadow Map中的Mesh.hpp基本相同。主要区别是，本文的Mesh在加载模型时，手动在模型下方添加了一个 pedestal，用于显示模型产生的阴影。

另外，本文中的Draw(Shader, GLuint depthTexture)函数是使用两个纹理对象，一个是默认的模型纹理，另一个是传入的参数depthTexture，将其作为shadow map。

Mesh.hpp的主要代码如下：

cpp 复制代码 
extern unsigned int SCR_WIDTH;
extern unsigned int SCR_HEIGHT;
class Mesh
{
  public:
    // mesh Data
    vector<Vertex> vertices;      // vertex 数据，一个顶点包括 position, normal 和 texture coord 三个信息
    vector<unsigned int> indices; // index 数据，用于拷贝到 EBO 中
    Texture texture;

    unsigned int VAO;

    Mesh(vector<Vertex> vertices_, vector<unsigned int> indices_, Texture texture_)
        : vertices(vertices_), indices(indices_), texture(texture_)
    {
        setupMesh();
    }

   Mesh(string obj_path, string texture_path = "")
    {
        // load obj
        ifstream obj_file(obj_path, std::ios::in);
        if (obj_file.is_open() == false)
        {
            std::cerr << "Failed to load obj: " << obj_path << "\n";
            return;
        }

        int position_id = 0;
        int normal_id = 0;
        int texture_coord_id = 0;
        string line;
        while (getline(obj_file, line))
        {
            std::istringstream iss(line);
            std::string prefix;
            iss >> prefix;

            if (prefix == "v") // vertex
            {
                if (vertices.size() <= position_id)
                {
                    vertices.push_back(Vertex());
                }

                iss >> vertices[position_id].Position.x;
                iss >> vertices[position_id].Position.y;
                iss >> vertices[position_id].Position.z;
                position_id++;
            }
            else if (prefix == "vn") // normal
            {
                if (vertices.size() <= normal_id)
                {
                    vertices.push_back(Vertex());
                }

                iss >> vertices[normal_id].Normal.x;
                iss >> vertices[normal_id].Normal.y;
                iss >> vertices[normal_id].Normal.z;
                normal_id++;
            }
            else if (prefix == "vt") // texture coordinate
            {
                if (vertices.size() <= texture_coord_id)
                {
                    vertices.push_back(Vertex());
                }

                iss >> vertices[texture_coord_id].TexCoords.x;
                iss >> vertices[texture_coord_id].TexCoords.y;
                texture_coord_id++;
            }
            else if (prefix == "f") // face
            {

                for (int i = 0; i < 3; ++i)
                {
                    std::string vertexData;
                    iss >> vertexData;
                    unsigned int ver, tex, nor;
                    sscanf(vertexData.c_str(), "%d/%d/%d", &ver, &tex, &nor);
                    indices.push_back(ver - 1);
                }
            }
        }

        obj_file.close();
        
        // 在模型下面加上一个 pedestal
        int temp_index = vertices.size();

        vertices.push_back({{-2, -0.8, -2}, {0, 1, 0}, {-1, -1}});
        vertices.push_back({{-2, -0.8, 2}, {0, 1, 0}, {-1, -1}});
        vertices.push_back({{2, -0.8, 2}, {0, 1, 0}, {-1, -1}});
        vertices.push_back({{2, -0.8, -2}, {0, 1, 0}, {-1, -1}});

        indices.push_back(temp_index + 0);
        indices.push_back(temp_index + 1);
        indices.push_back(temp_index + 2);
        indices.push_back(temp_index + 0);
        indices.push_back(temp_index + 2);
        indices.push_back(temp_index + 3);

        // load texture
        GLuint textureID;
        glGenTextures(1, &textureID); // 生成纹理 ID
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID); // 绑定纹理，说明接下来对纹理的操作都应用于对象 textureID 上

        // 设置纹理参数
        // 设置纹理在 S 方向（水平方向）的包裹方式为 GL_REPEAT
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);
        // 设置纹理在 T 方向（垂直方向）的包裹方式为 GL_REPEAT
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);
        // 设置纹理的缩小过滤方式，当纹理变小时，使用 GL_LINEAR （线性过滤）方式
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
        // 设置纹理的放大过滤方式，当纹理变大时，使用 GL_LINEAR （线性过滤）方式
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

        // 加载纹理图像
        int width, height, nrChannels;
        stbi_set_flip_vertically_on_load(true);
        unsigned char *data = stbi_load(texture_path.c_str(), &width, &height, &nrChannels, 0);
        if (data)
        {
            GLenum format;
            if (nrChannels == 1)
                format = GL_RED;
            else if (nrChannels == 3)
                format = GL_RGB;
            else if (nrChannels == 4)
                format = GL_RGBA;

            // 生成纹理
            glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, format, width, height, 0, format, GL_UNSIGNED_BYTE, data);
            glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D); // 生成 Mipmaps
        }
        else
        {
            std::cerr << "Failed to load texture: " << texture_path << "\n";
        }
        stbi_image_free(data);           // 释放图像内存
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0); // 解绑纹理

        texture.Id = textureID;
        texture.path = texture_path;

        setupMesh();
    }
    // render the mesh
    void Draw(Shader &shader)
    {
        // draw mesh
        ...
    }

    void DrawWithShadowMap(Shader &shader, GLuint shadowMap)
    {
        // draw mesh
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0);             // 激活 纹理单元0
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture.Id); // 绑定纹理，将纹理texture.id 绑定到 纹理单元0 上
        glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.ID, "texture1"), 0); // 将 blinnPhongShader 中的 texture1 绑定到 纹理单元0

        glActiveTexture(GL_TEXTURE1);            // 激活 纹理单元1
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, shadowMap); // 绑定纹理，将深度纹理 shadowMap 绑定到 纹理单元1 上
        glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.ID, "shadowMap"), 1); // 将 blinnPhongShader 中的 shadowMap 绑定到 纹理单元1

        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawElements(GL_TRIANGLES, static_cast<unsigned int>(indices.size()), GL_UNSIGNED_INT, 0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
        glBindVertexArray(0);
    }


    // 用于打印 depthTexture 数据
    void printDepthTexture(GLuint textureId)
    {
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId); // 绑定纹理，将纹理texture.id 绑定到 纹理单元0 上

        int width;
        int height;
        GLint format;
        glGetTexLevelParameteriv(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_TEXTURE_WIDTH, &width);
        glGetTexLevelParameteriv(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_TEXTURE_HEIGHT, &height);
        glGetTexLevelParameteriv(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_TEXTURE_INTERNAL_FORMAT, &format);

        std::cout << "Texture information :\n";
        std::cout << "width:" << width << ", height:" << height << ", format:" << format << "\n";
        // return ;
        // 创建一个缓冲区来存储纹理数据
        std::vector<GLfloat> textureData(width * height, 0);
        // 读取纹理数据
        glGetTexImage(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, textureData.data());

        std::cout << *max_element(textureData.begin(), textureData.end()) << "\n";
        std::cout << *min_element(textureData.begin(), textureData.end()) << "\n";
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    }

    void DrawToTexture(Shader &shader, GLuint &depthTexture)
    {

        // 1. 设置 帧缓存
        // 2. 设置 纹理 (renderedTexture，由于存储渲染结果)
        // 3. 设置 深度缓存
        // 4. 开始渲染

        // 1. 设置 帧缓存
        // framebuffer
        GLuint FramebufferName = 0;
        glGenFramebuffers(1, &FramebufferName);
        glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, FramebufferName);

        // 2. 设置 纹理 (depthTexture，由于存储渲染结果)
        // texture
        // GLuint depthTexture;
        if (glIsTexture(depthTexture) == false)
        {
            glGenTextures(1, &depthTexture);
        }
        // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture
        // 将 depthTexture 绑定到 GL_TEXTURE_2D 上，接下来所有对 TEXTURE_2D 的操作都会应用于 depthTexture 上
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, depthTexture);

        // Give an empty image to OpenGL ( the last "0" )
        // glTexImage2d() 用于创建并初始化二维纹理数据的函数, 参数含义如下:
        // 1. 目标纹理类型, GL_TEXTURE_2D 为 2D 类型纹理
        // 2. 详细级别(mipmap级别)，基础图像级别通常设置为0
        // 3. internal format: 存储格式，GL_DEPTH_COMPONENT16 表示为 16位的深度缓存
        // 4,5. 纹理宽，高，设为800, 600(与窗口同宽、高)
        // 6. 边框宽度，设为0
        // 7. 传入数据的纹理格式，此处选择 GL_DEPTH_COMPONENT (由于我们使用 null
        // 指针处地数据初始化纹理，不管此处选择什么对结果都无影响)
        // 8. format 数据类型，每个颜色通道内的数据类型，设为 GL_FLOAT，数值范围在 [0.0,1.0]
        // 9. 指向纹理图像数据(初始数据)的指针，设为0(null)，使用空置初始化纹理
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT16, 800, 600, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, nullptr);

        // Poor filtering
        // 设置 GL_TEXTURE_2D 纹理的过滤方式
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
        // 设置 GL_TEXTURE_2D 纹理的边缘处理方式
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
        glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);

        // 3. 设置 深度缓存
        // The depth buffer
        // 为上面的 framebuffer 申请一个 depth buffer (用于正确绘制)
        // 手动申请的 framebuffer 不会自动带有 depth buffer or template buffer or color buffer，必须手动设置
        // 此处收到设置一个 depth buffer
        // 由于正确地渲染结果(主要根据渲染场景的深度信息确定哪些部分需要渲染，哪些部分可以丢弃，跟正常渲染流程一样)
        GLuint depthrenderbuffer;
        glGenRenderbuffers(1, &depthrenderbuffer);
        // 绑定渲染缓冲对象，指定后续的 操作(设置) 目标为 depthrederbuffer
        glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthrenderbuffer);
        // 指定渲染缓冲的内部格式为深度格式，意味着这个缓冲区将用于存储深度信息
        glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT, 800, 600);
        // 将渲染缓冲对象附加到当前绑定的帧缓冲对象
        glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthrenderbuffer);

        // Set "renderedTexture" as our colour attachement #0
        // 设置 renderedTexture 附加到 帧缓冲对象上, 并设置 深度缓冲槽位 为 GL_DEPTH_ATTACHMENT
        glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, depthTexture, 0);
        // Set the list of draw buffers.
        // 设置不渲染任何 color , 因为我们关心的只是 depth
        glDrawBuffer(GL_NONE);

        // Always check that our framebuffer is ok
        if (glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE)
        {
            std::cout << "Error";
            return;
        }

        // Render to our framebuffer
        // 绑定 FramebufferName，接下来的渲染将写入到 FramebufferName 帧缓存中
        glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, FramebufferName);
        // 申请生成 depth buffer 后尽量(必须)手动 clear 一下
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 4. 开始渲染
        // 开始渲染，将渲染结果存储到 renderedTexture
        // draw mesh
        glBindVertexArray(VAO);
        glDrawElements(GL_TRIANGLES, static_cast<unsigned int>(indices.size()), GL_UNSIGNED_INT, 0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
        glBindVertexArray(0);
        // 解绑 FramebufferName，接下来的渲染将写入默认的帧缓冲(屏幕) 中
        glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
        /****************/
        // printDepthTexture(depthTexture);
    }
    ...
};

4. shadowMap shader 代码

由于我们只需要使用场景渲染shader得到场景的深度缓冲，因此只需要在 shadow map vertex shader 中处理顶点的坐标即可，无需使用纹理、光照模型等与深度信息无关的数据。

shadow map shader的顶点着色器代码如下：
shadowMap.vert:

cpp 复制代码 
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos;
layout(location = 1) in vec3 aNor;
layout(location = 2) in vec2 aTexCoord;

uniform mat4 lightMVP;

void main() {
  // 裁剪空间坐标系 (clip space) 中 点的位置
  gl_Position = lightMVP * vec4(aPos, 1.0f);
}

片段着色器无需处理颜色、纹理、光照等信息，因此shadow map shader的片段着色器可以空着，如下：
shadowMap.frag:

cpp 复制代码 
#version 330 core
void main() {
  // do nothing
}

5. Blinn-Phong shader 代码

渲染场景的 Blinn-Phong shader使用Blinn-Phong模型渲染场景，并且根据输入的 shadowMap 处理产生阴影效果。

Blinn-Phong shader的顶点着色器和片段着色器代码：
Blinn-Phong.vert:

cpp 复制代码 
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos;
layout(location = 1) in vec3 aNor;
layout(location = 2) in vec2 aTexCoord;
uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;
uniform mat4 lightMVP;

out vec3 vertexPos;
out vec3 vertexNor;
out vec2 textureCoord;

out vec4 vertexPosLightSpace;

void main() {
  textureCoord = aTexCoord;
  // 裁剪空间坐标系 (clip space) 中 点的位置
  gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0f);
  // 世界坐标系 (world space) 中 点的位置
  vertexPos = (model * vec4(aPos, 1.0f)).xyz;
  // 世界坐标系 (world space) 中 点的法向
  vertexNor = mat3(transpose(inverse(model))) * aNor;
  vertexPosLightSpace = lightMVP * vec4(aPos, 1.0f);
}

Blinn-Phong.frag:

cpp 复制代码 
#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 vertexPos;
in vec3 vertexNor;
in vec2 textureCoord;
in vec4 vertexPosLightSpace;
// vertexPosLightSpace

uniform vec3 cameraPos;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 k;

uniform sampler2D texture1;

uniform sampler2D shadowMap;
// 计算阴影系数 shadow
// 如果该片段在阴影中 返回 1.0
// 如果该片段不在阴影中 返回 0.0
float ShadowCalculation(vec4 fragPosLightSpace, vec3 normalDir, vec3 lightDir) {
  // 执行透视除法
  vec3 projCoords = fragPosLightSpace.xyz / fragPosLightSpace.w;

  if (projCoords.z > 1.0) {
    // 所有在 视锥远平面 之外的都视作不被遮挡
    return 0.0;
  }

  // 变换到[0,1]的范围
  projCoords = projCoords * 0.5 + 0.5;
  // 取得最近点的深度
  float closestDepth = texture(shadowMap, projCoords.xy).r;
  // 取得当前片段在光源视角下的实际深度
  float currentDepth = projCoords.z;
  // 检查当前片段是否在阴影中
  float bias = max(0.05 * (1.0 - dot(normalDir, lightDir)), 0.005); // 使用 bais 处理阴影失真的问题
  float shadow = currentDepth - bias > closestDepth ? 1.0 : 0.0;
  return shadow;
}

void main() {

  vec3 lightColor = vec3(1.0f, 1.0f, 1.0f);

  // Ambient
  // Ia = ka * La
  float ambientStrenth = k[0];
  vec3 ambient = ambientStrenth * lightColor;

  // Diffuse
  // Id = kd * max(0, normal dot light) * Ld
  float diffuseStrenth = k[1];
  vec3 normalDir = normalize(vertexNor);
  vec3 lightDir = normalize(lightPos - vertexPos);
  vec3 diffuse =
      diffuseStrenth * max(dot(normalDir, lightDir), 0.0) * lightColor;

  // Specular (Phong)
  // Is = ks * (view dot reflect)^s * Ls

  // float specularStrenth = k[2];
  // vec3 viewDir = normalize(cameraPos - vertexPos);
  // vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normalDir);
  // vec3 specular = specularStrenth *
  //                 pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0f), 2) * lightColor;

  // Specular (Blinn-Phong)
  // Is = ks * (normal dot halfway)^s Ls
  float specularStrenth = k[2];
  vec3 viewDir = normalize(cameraPos - vertexPos);
  vec3 halfwayDir = normalize(lightDir + viewDir);
  vec3 specular = specularStrenth *
                  pow(max(dot(normalDir, halfwayDir), 0.0f), 2) * lightColor;

  // Obejct color
  vec3 objectColor = vec3(0.8, 0.8, 0.8);
  if (textureCoord.x >= 0 && textureCoord.y >= 0) {
    objectColor = texture(texture1, textureCoord).xyz;
  }

  // shadow
  float shadow = ShadowCalculation(vertexPosLightSpace, normalDir, lightDir);

  // Color = Ambient + Diffuse + Specular -->
  // Color = Ambient + (1-shadow) * (Diffuse + Specular), 阴影只会影响 diffuse 和 specular 项
  // I = Ia + Id + Is --> I = Ia + (1-shodaw)*(Id + Is)
  FragColor = vec4(
      (ambient + (1.0 - shadow) * (diffuse + specular)) * objectColor, 1.0f);
}

6. main.cpp 代码

6.1). 代码整体流程

  1. 初始化glfw，glad，窗口
  2. 编译 shader 程序
  3. 加载obj模型、纹理图片
  4. 设置光源和相机位置，Blinn-phong模型参数
  5. 开始渲染
    5.1 使用 shadowShader, 渲染场景，将场景的深度缓冲存储到 depthTexture 中
    5.2 使用 blinnPhongShader, 渲染场景，并且使用 depthTexture 实现阴影效果
  6. 释放资源

6.2). main.cpp代码

cpp 复制代码 
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>
#include "Shader.hpp"
#include "Mesh.hpp"

#include "glm/ext.hpp"
#include "glm/mat4x4.hpp"

#include <random>
#include <iostream>
// 用于处理窗口大小改变的回调函数
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow *window, int width, int height);
// 用于处理用户输入的函数
void processInput(GLFWwindow *window);

// 指定窗口默认width和height像素大小
unsigned int SCR_WIDTH = 800;
unsigned int SCR_HEIGHT = 600;

/************************************/

int main()
{
    /****** 1.初始化glfw, glad, 窗口 *******/
    // glfw 初始化 + 配置 glfw 参数
    glfwInit();
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
    glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

    // 在创建窗口之前
    glfwWindowHint(GLFW_SAMPLES, 4); // 设置多重采样级别为4
    // glfw 生成窗口
    GLFWwindow *window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);
    if (window == NULL)
    {
        // 检查是否成功生成窗口，如果没有成功打印出错信息并且退出
        std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;
        glfwTerminate();
        return -1;
    }

    // 设置窗口window的上下文
    glfwMakeContextCurrent(window);
    // 配置window变化时的回调函数
    glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);

    // 使用 glad 加载 OpenGL 中的各种函数
    if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
    {
        std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
        return -1;
    }
    // 启用 深度测试
    glEnable(GL_DEPTH_TEST);
    // 启用 多重采样抗锯齿
    glEnable(GL_MULTISAMPLE);
    // glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE); // 使用线框模式，绘制时只绘制 三角形 的轮廓
    glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL); // 使用填充模式，绘制时对 三角形 内部进行填充

    /************************************/

    /****** 2.编译 shader 程序 ******/
    // 渲染shadow map 的 shader
    Shader shadowMapShader("../resources/shadowMap.vert", "../resources/shadowMap.frag");
    // 渲染场景的shader
    Shader blinnPhongShader("../resources/Blinn-Phong.vert", "../resources/Blinn-Phong.frag");
    // 渲染depth的 shader
    // Shader showDepthShader("../resources/showDepth.vert", "../resources/showDepth.frag");
    /************************************/

    /****** 3.加载obj模型、纹理图片、Phong模型参数 ******/

    // 3.1 scene mesh
    Mesh ourModel("../resources/models/spot/spot.obj", "../resources/models/spot/spot.png"); // dairy cow

    Texture depthTexture;
    /************************************/

    /****** 4.设置光源和相机位置，Phong(Blinn-phong)模型参数 ******/
    // I = Ia + Id + Is
    // Ia = ka * La
    // Id = kd * (normal dot light) * Ld
    // Is = ks * (reflect dot view)^s * Ls
    // 模型参数 ka, kd, ks
    float k[] = {0.1f, 0.7f, 0.2f}; // ka, kd, ks
    // 光源位置
    glm::vec3 light_pos = glm::vec3(-2.0f, 2.0f, 0.0f);
    // 相机位置
    glm::vec3 camera_pos = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 1.5f);
    /************************************/

    /****** 5.开始渲染 ******/
    float rotate = 90.0f;
    while (!glfwWindowShouldClose(window))
    {

        rotate += 0.5f;
        // input
        // -----
        processInput(window);

        // render
        // ------
        glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
        // 清除颜色缓冲区 并且 清除深度缓冲区
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 5.1 使用 shadowShader, 渲染场景，将场景的深度缓冲存储到 depthTexture 中
        shadowMapShader.use();

        // 设置 light_MVP 矩阵, 假设以 light 为视角，渲染 light 视角下的场景深度图
        // light model 矩阵
        glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f);
        model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f));
        model = glm::rotate(model, glm::radians(0.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
        model = glm::rotate(model, glm::radians(rotate), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
        model = glm::rotate(model, glm::radians(0.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));
        model = glm::scale(model, glm::vec3(0.5f, 0.5f, 0.5f));

        // light view 矩阵
        glm::mat4 view = glm::mat4(1.0f);
        view = glm::lookAt(light_pos, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));

        // light projection 矩阵
        glm::mat4 projection = glm::mat4(1.0f);
        // 假设 light 为平行光，因此使用 正交投影 ortho
        projection = glm::ortho(-2.0, 2.0, -2.0, 2.0, 0.1, 5.0);

        glm::mat4 lightMVP = projection * view * model;

        shadowMapShader.setMat4("lightMVP", lightMVP);

        ourModel.DrawToTexture(shadowMapShader, depthTexture.Id);
        ///

        // 5.2 使用 blinnPhongShader, 渲染场景，并且使用 depthTexture 实现阴影效果
        blinnPhongShader.use();
        glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

        // 设置 camera_MVP 矩阵, 假设以 camera 为视角，渲染 camera 视角下的场景深度图
        // camera model 矩阵
        model = glm::mat4(1.0f);
        model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f));
        model = glm::rotate(model, glm::radians(0.0f), glm::vec3(1.0f, 0.0f, 0.0f));
        model = glm::rotate(model, glm::radians(90.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
        model = glm::rotate(model, glm::radians(0.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));
        model = glm::scale(model, glm::vec3(0.5f, 0.5f, 0.5f));

        // camera view 矩阵
        view = glm::lookAt(camera_pos, glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f));

        // camera projection 矩阵
        projection = glm::perspective(glm::radians(60.0f), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 100.0f);
        blinnPhongShader.setMat4("model", model);
        blinnPhongShader.setMat4("view", view);
        blinnPhongShader.setMat4("projection", projection);
        blinnPhongShader.setVec3("k", k[0], k[1], k[2]);
        blinnPhongShader.setVec3("cameraPos", camera_pos);
        blinnPhongShader.setVec3("lightPos", light_pos);

        blinnPhongShader.setMat4("lightMVP", lightMVP);
        // 使用 depthTexture 作为 shadow map texture
        ourModel.DrawWithShadowMap(blinnPhongShader, depthTexture.Id);
        ///

        glfwSwapBuffers(window); // 在gfw中启用双缓冲，确保绘制的平滑和无缝切换
        glfwPollEvents(); // 用于处理所有挂起的事件，例如键盘输入、鼠标移动、窗口大小变化等事件
    }

    /************************************/
    /****** 6.释放资源 ******/
    // glfw 释放 glfw使用的所有资源
    glfwTerminate();
    /************************************/
    return 0;
}

// 用于处理用户输入的函数
void processInput(GLFWwindow *window)
{
    // 当按下 Esc 按键时调用 glfwSetWindowShouldClose() 函数，关闭窗口
    if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
    {
        glfwSetWindowShouldClose(window, true);
    }
}

// 在使用 OpenGL 和 GLFW 库时，处理窗口大小改变的回调函数
// 当窗口大小发生变化时，确保 OpenGL 渲染的内容能够适应新的窗口大小，避免图像被拉伸、压缩或出现其他比例失真的问题
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow *window, int width, int height)
{
    SCR_WIDTH = width;
    SCR_HEIGHT = height;
    glViewport(0, 0, width, height);
}

7. 编译运行及结果

编译运行：

cpp 复制代码 
cd ./build
cmake ..
make
./OpenGL_Shadow_Mapping

渲染结果：

三、全部代码及模型文件

全部代码以及模型文件可以在[OpenGL]使用OpenGL实现硬阴影效果中下载。

四、参考

[1].opengl-tutorial-教程14：渲染到纹理

[2].LearnOpenGL-高级OpenGL-帧缓冲

[3].LearnOpenGL-高级OpenGL-阴影-阴影映射

相关推荐
夏天匆匆2过12 分钟前
linux性能提升之sendmmsg和recvmmsg
linux·c++·单片机·网络协议·udp·tcp
Jack黄从零学c++21 分钟前
设计模式——策略模式（c++）
c++·设计模式·策略模式
MinBadGuy1 小时前
【GeekBand】C++设计模式笔记10_Prototype_原型模式
c++·设计模式·原型模式
GeekAlice1 小时前
算法笔记/USACO Guide GOLD金组Graphs并查集Disjoint Set Union
c++·经验分享·笔记·学习·算法
風清掦2 小时前
C/C++每日一练：编写一个查找子串的位置函数
c语言·c++·算法
WolvenSec3 小时前
C/C++逆向：结构体逆向分析
c语言·开发语言·c++·网络安全
A charmer3 小时前
算法每日双题精讲——滑动窗口（最大连续1的个数 III，将 x 减到 0 的最小操作数）
c++·算法·leetcode
娅娅梨6 小时前
C++ 错题本 MAC环境下 unique_lock try_lock_for函数爆红问题
开发语言·c++·macos
李元豪10 小时前
【智鹿空间】c++实现了一个简单的链表数据结构 MyList，其中包含基本的 Get 和 Modify 操作，
数据结构·c++·链表
UestcXiye10 小时前
《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 9：套接字的多种可选项
c++·计算机网络·ip·tcp
热门推荐
01聊聊 Python 中的同步原语，为什么有了 GIL 还需要同步原语02【HarmonyOS】HUAWEI DevEco Studio 下载地址汇总03Windows10安装PCL1.14.0及点云配准04VSCode插件 —— Cody AI （免费AI助手！）05全面解析：构建基于深度学习的安全帽检测系统（UI界面+YOLO代码+数据集）06组基轨迹建模 GBTM的介绍与实现（Stata 或 R）07Ubuntu 20.04使用Livox mid 360 测试 FAST_LIO08基于YOLOv10深度学习的CT扫描图像肾结石智能检测系统【python源码+Pyqt5界面+数据集+训练代码】深度学习实战、目标检测09Coze扣子平台完整体验和实践（附国内和国际版对比）10C++——超强级病毒代码