5.4 阴影与全局光照：光路不止一棒

5.4 阴影与全局光照：光路不止一棒

本节摘要：Phong 模型只算"灯到表面"一棒光路，阴影与反弹光的缺席让画面失真。本节讲阴影图（shadow mapping）的两遍渲染机制及其两大病症的修法，再梳理全局光照的谱系：从光照贴图烘焙、屏幕空间技术到光线追踪级方案，划清实时与离线的边界。它是第 5 站的终点，也是第 7 章离线渲染的起跳板。

读完这节你该会什么

阅读完本节，你应当能够：

1. 描述阴影图两遍渲染的完整流程，写出门深度的比较判断
2. 诊断阴影痤疮与彼得潘失真并给出对应修法
3. 区分硬阴影与软阴影的产生机制
4. 列出全局光照方案的谱系与各自的真实性/成本档位

阴影：从"点亮一切"说起

5.1 的光照模型有个隐藏谎言：只要 L·N > 0，点就被照亮，哪怕中间隔着一堵墙。真实世界里墙后的物体在阴影里，因为光被墙挡住了。判断"灯与你之间有没有障碍"，就是阴影计算的全部。

阴影图的巧妙思路

从灯的位置"再渲染一遍场景"：用灯当相机做一次投影（4.2/4.3 的矩阵直接复用），得到的深度图记录"沿光的方向，最先撞到谁"。正式渲染时，把像素位置换算到灯的深度图坐标系，比较两个深度：像素比图上记录的更远，说明光被别人截胡，它在阴影里。

import numpy as np

def in_shadow(px, py, pz, light_depth, bias=0.005):
    # px.. 像素在灯光坐标系下的位置；light_depth 为阴影图
    u, v = int(px*32), int(py*32)            # 简化：直接当地图坐标
    if not (0 <= u < 32 and 0 <= v < 32):
        return False                           # 灯外区域视为照亮
    return pz > light_depth[v, u] + bias       # 比最近遮挡者远 → 在影中

light_depth = np.full((32, 32), 9.9)           # 灯深度图：默认无遮挡
light_depth[10:14, 10:14] = 2.0                # 光路上 2 米处立了一块板
print(in_shadow(0.4, 0.4, 3.0, light_depth),   # 板后方 3 米处
      in_shadow(0.4, 0.4, 1.5, light_depth),   # 板前方 1.5 米处
      in_shadow(0.9, 0.9, 3.0, light_depth))   # 板旁边
# 输出: True False False  两遍信息一比较，谁被截胡一目了然
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两遍渲染高度复用已有管线（换个相机再画一遍深度），硬件友好，是实时阴影的绝对主流。但它有两个著名病症：其一，阴影痤疮——表面自遮挡的深度比较在数值边缘抖动，阴影里长满条纹噪点，修法是深度偏移 bias 与法线偏移把比较往宽容方向推；其二，彼得潘失现——bias 推过头，物体"飘"起来、脚下漏光，像童话里丢了影子的小飞侠。两个病症共享一个调参旋钮，工程上永远在两者之间找平衡，或改用更稳的方案（如把深度比较换成距离场）。

硬与软

阴影图的比较是二值的，边缘锐利——但真实阴影边缘随距离变糊（本影与半影：光源越大、遮挡物离影面越远，边缘越软）。实时的近似是 PCF：在阴影图上取多个样本平均比较结果，边缘出现渐变；更精细的 PCSS 按遮挡距离自适应模糊半径。物理正确的软阴影要到 7.1 的光线追踪里对光源面积采样才算数。

全局光照：反弹光的世界

Phong 的环境光项把所有间接弹射压成一个常数，这是一个多么粗糙的压缩，站在彩色房间里的白墙就明白：地面会泛起墙色的反光（颜色渗透），红色墙纸把白桌染成粉的。这类"光弹射多次"的现象统称全局光照（GI），方案按成本排开：

渲染方程的直觉表述：
  出射光 = 自发光 + 反射率 × ∫（入射光 × 入射余弦 × 双向分布函数）d入射方向
  积分域是围绕法线的整个半球——所有可能来光的方向
  1.3 节埋的积分伏笔在此兑现：实时用几个方向近似，离线用路径追踪采样
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光照贴图是最划算的一档：静态场景的间接光离线算好烤进贴图，运行时几乎白送；代价是动态物体不参与烘焙，角色在烘焙过的大厅里会显得"与环境光脱节"，需要探针类技术补缝。光线追踪与路径追踪的完整机制留给第 7 章，这里先立起"局部/全局"这条分界线：它就是实时与离线两个世界的主要边界。

💡 关键直觉：看一幅画面判断 GI 档次的快速方法——盯住彩色墙面旁边的白色物体。如果白物上泛着墙色，说明至少有烘焙级 GI；如果纯白不变，多半只有环境光常数在撑场面。

调参实录：一次阴影问题的排查

背景：某室内场景，角色阴影在自己的脸上出现密集条纹（阴影痤疮）。操作：第一步把深度偏移从 0.001 逐步加大，0.005 时脸部干净但脚下开始漏光（彼得潘）；第二步改用法线偏移——沿表面法线把采样点外推一小段，脸部干净且漏光更轻；第三步把阴影图分辨率从 512 提到 2048，配合 3×3 PCF 采样，边缘也变得柔和。结果：三级手段叠加后阴影稳定。解读：痤疮源于阴影图精度不足导致的深度比较抖动，三招分别从"放宽比较""挪开采样点""提高精度"三个方向减压，工程里几乎总是组合使用。变式：若场景是超大户外地形，2048 阴影图盖不过来，就上级联阴影（CSM）——近平面到远平面分几张阴影图各管一段，本质还是本节的矩阵与比较，只是多了一层"按距离选图"。

本节要点回顾

• 阴影图两遍渲染：灯当相机画深度，正式渲染比深度，复用度高
• 痤疮与彼得潘：bias 调小长痤疮、调大丢影子，永恒的平衡
• PCF 平均出软边：物理正确的半影要等光源面积采样
• GI 谱系按成本排开：烘焙、探针、屏幕空间、光追、路径追踪
• 渲染方程是终极账本：半球积分定义了"完全正确的图"，一切算法是它的近似

第 5 站到站。像素有了位置、深度、亮度和皮肤，接下来把整条生产流程装上流水线——第 6 章，渲染管线与 GPU。