Java OpenGL 3+；具有平行光的正交投影

我目前在移动（类似太阳）光源的平行光阴影贴图方面遇到问题

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

正如人们所预料的那样，每一次滴答声，太阳都会沿着一个圆圈移动一定量。我使用一种自制的“注视”方法来确定合适的观察矩阵。例如，日光从早上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是，它不会“向下倾斜”到原点。它只是一直沿着Z轴向下看。早上6点和下午6点的情况看起来很好，但比如说中午12点，情况就完全没有变化

以下是我的设置方式：

原始三维投影矩阵：

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）我用许多不同的值尝试过：

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;
}

---

我觉得我错过了一些非常简单的东西。正如我所说，这对3D投影矩阵很好，但我希望用户在世界各地旅行时阴影保持不变，这对定向照明和正交投影都有意义。

实际上，谁告诉过你使用正交投影矩阵制作阴影贴图是个好主意？这可能适用于像太阳这样的物体，它们实际上是无限远的，但对于局部光来说，透视是非常相关的。但是，在使用透视投影和阴影贴图时必须小心，因为采样频率随距离而变化，在某些距离上会获得很多精度，而在其他距离上则不够，除非通常使用层叠或透视扭曲之类的方法；不过，这可能超出了您目前应该考虑的范围：）

此外，正交投影矩阵的3D效果并不比透视图差，因为它们通过将3D“图像”投影到2D观察平面上来工作。。。它们和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）理想地以正交投影方式投影到屏幕上的相同位置。


在片段着色器中使用

gl_FragCoord.z

是不寻常的。因为这是写入深度缓冲区的值，所以最好在片段着色器中不写入任何内容，然后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，否则将深度写入两个位置是在浪费内存带宽。使用

glColorMask（GL\u-FALSE，GL\u-FALSE，GL\u-FALSE，GL\u-FALSE）

的仅深度通道通常会在构建阴影贴图时获得更高的吞吐量

如果您实际使用了

pass_Position

（剪辑空间中未经透视校正的Z坐标）的值，我可以看到使用了单独的颜色附件来编写此内容，但您当前正在编写透视校正深度范围调整深度（

gl_FragDepth

）

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在任何情况下，当太阳在正上方且使用正交投影时，预计不会投射阴影。这可以追溯到我前面解释的属性，其中平行线保持平行。由于对象与太阳的距离对对象的投影位置（正交）没有影响，因此如果对象直接位于头顶，则不会看到任何阴影。尝试沿着球体而不是圆形跟踪太阳的位置，以尽量减少这种情况。

从我所看到的情况来看（由于这是一种类似太阳的光线），正交透视图更符合我的要求。我确实明白三维透视对定位灯光会更好。@Chris：当然，我并不是说正交投影不合适。只是，您将来可能需要实现这两种类型的阴影贴图。点光源和位置聚光灯应使用透视。另外，为了解决中午的问题，我建议你的太阳以球形运动在天空中移动（例如，x、y和z位置都是时间的函数，而不是你在问题中描述的三个位置中的两个）。glFragCoord.z与pass_位置是我一直在切换的位置，因为我缺乏对差异的理解，但你已经为我澄清了这一点。最后，对开销的解释是正确的，至少是我一直缺少的一部分。不过，这个问题其实开始得更早。这就像阴影贴图从缓冲区“脱落”一样。我将发布一些图片，看看我是否可以用这种方式更好地解释。我想我真的需要更多地重新审视这一点。阴影坐标不像在投影中那样工作。我在错误的地方看到奇怪的阴影，直到它到达原点。负x完全点亮。我要说的是，在进行“注视”时，将灯光移近原点似乎有很大帮助。虽然我不确定我能说为什么。。。要开始理解这些阴影，我还有很长的路要走，但我非常感谢你的帮助。