4.2 阴影：平面投影 vs 阴影贴图

4.2 阴影：平面投影 vs 阴影贴图

本节摘要：平面投影把网格沿光方向压到一张平面上，再画成深色透明，CPU 几乎只改一个矩阵，GPU 多画一次几何。它快，但只能贴地、不能自阴影、交叉会穿帮。阴影贴图先从灯的视角把深度画进离屏纹理，再在主视角采样比较，能自阴影、能上墙，但要 FBO、偏移、分辨率与过滤。选型看阴影是“有一块暗”还是“要合理遮挡”。

本节地图

阅读完本节，你应当能够：

1. 用矩阵语言说明平面投影阴影在做什么
2. 按步骤列出阴影贴图的离屏 pass 与主 pass
3. 对照 acne、Peter Panning、分辨率不足三类瑕疵的成因
4. 说明方向光用正交投影、聚光用透视投影的原因
5. 给出电商地面影与游戏角色影的默认路线

假影是几何问题，贴图影是深度比较问题

平面投影：构造一个把顶点沿光方向映射到地面平面的 4x4，用它代替模型矩阵再画一遍网格，颜色纯黑、开混合、深度写入关。CPU 算这个矩阵，GPU 当普通网格画。没有第二份深度附件，没有比较。物体离开地面、地面不平、要投到墙上，合同立刻破裂。

阴影贴图：灯是一台相机。把它的 VP 拿来，把场景深度画到纹理。主相机绘制时，把世界位置变到灯的裁剪空间，取出深度纹理里的值，比一比“灯看这边谁更近”。更近的是遮挡者，当前片元在影里。这是第 3.4 节 FBO 加第 3.3 节深度再加一次采样。

平面：  同一几何 × 压扁矩阵 → 当贴花画在地上
贴图：  灯相机深度 FBO → 主相机 FS 比较
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路线表与瑕疵表

acne：深度精度与离散纹素让表面自己挡住自己，斑点。偏移（bias）或斜率缩放。偏大了，影与物体脱开，Peter Panning。没有万能 bias，按场景调，或用 PCF 多采几个深度平滑边缘。

// 概念：主 pass 里比较
// 已把位置变到灯的 NDC，uv 与 depthFromLight 在手
float closest = texture2D(uShadow, uv).r;
float shadow = (depthFromLight > closest + bias) ? 0.3 : 1.0;
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比较发生在 FS，所以阴影贴图天然是逐片元效果。分辨率不够时边缘呈锯齿块。级联阴影把视锥分成几段，近处用更密的贴图，CPU 要选 cascade、GPU 要采对应层。移动端常常一盏方向光一张 1024 贴图打住。

图：两条阴影路线的存放处

工程：谁投、谁收、几盏灯

不是所有网格都要投阴影。粒子、玻璃、已经很暗的物体可剔除出深度 pass，减 GPU。接收者才采样。地面一定收；天空不收。CPU 维护投射者列表，等于又一次合批问题：深度 pass 尽量少切程序，可用一份只出深度的 VS。

多灯阴影贴图：每盏灯一张或一套 cascade，显存与 pass 线性涨。实时产品里常常“主方向光有影，点光无影或用廉价圆片”。对照要写进需求，避免程序与美术各自假设。

WebGL1 深度纹理靠扩展；无扩展时有人把深度编码进 RGBA 颜色再解码，精度与过滤更闹心。能上 WebGL2 就用深度纹理。又一次版本决定效果路线。

⚠️ 常见坑：阴影 pass 忘了把 viewport 设成贴图尺寸，或主 pass 比较时忘了把 NDC 的 xy 从负一到一映到零到一。比较全失败，全黑或全亮。先可视化深度纹理。

💡 关键直觉：平面影是“再画一个扁物体”；贴图影是“问灯的深度仓库”。一个加几何，一个加离屏。

软影：PCF 在 FS 多采；接触硬化更贵。移动端 3x3 PCF 常常是上限。不要把论文里的百分比柔和阴影直接搬进商品页。电商地面一块椭圆暗斑（有时甚至是贴图，不是投影）可能比 cascade 更合适——那是第三条更假但更稳的路：阴影当贴花纹理，连矩阵压扁都省。

问题：引擎一键阴影能不能当学习终点？

能当交付起点，不能当理解终点。一键背后仍是灯相机、FBO、bias。出 acne 时你要调的是这些，不是材质颜色。把引擎阴影当固定管线开关，会回到第 1.2 节的错误记忆。

第一个实验：平面投影一个立方体影。第二个：512 深度贴图，可视化它，再比较。两步都通，再谈 PCF。跳步的人会在全黑场景里同时怀疑光照和阴影。

级联、过滤与“影该有多真”

方向光看向整个视锥时，一张贴图近处稀疏、远处浪费。级联把视锥按深度切开，近 cascade 覆盖小范围高分辨率。CPU 算每个 cascade 的正交投影，GPU 在 FS 选层。层间接缝要混合。移动端两层常常是上限；桌面三层。层数是产品档位，不是技术荣耀。电商查看器一盏灯一张 1024、物体几乎在原点，级联是多余 CPU。

PCF 在阴影边缘多采几个深度做平均，软且贵。采样次数 4 到 9 在手机上就能感到填充。泊松盘或硬件 shadow sampler 看扩展与 2.0 能力。没有硬件比较采样时，自己写 texture2D 再比较，过滤模式必须 NEAREST，否则深度被线性混合成无意义值。这是 2.6 的“查的表用 NEAREST”。用 LINEAR 采深度，影会漏光，像 bias 调不对。先改过滤，再调 bias。

接触阴影、屏幕空间阴影、胶囊假影，都是更假或更局部的路。角色脚下一块模糊圆片，CPU 按脚与地的距离改透明，常常比贴图更稳，也没有 acne。过场动画里角色不离地，圆片足够。只有需要角色把自己的胳膊投到身上、或树影投到墙上时，才上贴图。把需求写成“自阴影：要/不要”“接收表面：仅地/任意”，路线就锁了。需求不写，程序会按论文做，运营会按圆片验收，两边都怒。

接收者着色与调试可视化

阴影比较应在线性空间乘在漫反射上，不要直接乘最终伽马色。调试时把 shadow 因子输出成灰度全屏，确认轮廓是否贴合。贴合差先查灯 VP 与 bias，再查法线偏移。法线偏移让acne 在斜面改善，过了会裂缝。参数要给美术或程序一个滑条，写进档位，不要硬编码魔法数散落着色器。魔法数是阴影模块的技术债利息。

对照问答：全黑、全亮、漂

上了贴图全世界在影里？

比较方向反了，或 NDC 没映到 0 到 1，或 bias 过大过小，或深度纹理没清。可视化深度。全黑全亮都先看灯相机是否对着场景。灯 VP 抄主相机是常见错。灯是另一台相机。

影子与脚分家？

bias 太大或级联选错层。减小 bias，看法线偏移。平面投影若地面不是那张平面，也会分家。分家时先确认走的是哪条路线。两条都开会更乱。

树影锯齿一块块？

分辨率不足。加尺寸或 PCF。PCF 在手机填充分。档位：低档无树影或圆片，中档 512，高档 1024 加 4 次 PCF。不要在低档开 2048 三层级联。锯齿是离散深度，不是再乘暗色能修。

工程备忘：投射者列表与档位尺寸

网格带是否投射、是否接收标记。加载进两个列表。深度 pass 只画投射者，主 pass 只接收者采样。列表空则整份阴影 pass 跳过。跳过比画空更重要。尺寸：低档关或圆片，中档 512，高档 1024，级联仅桌面高档。bias 滑条给程序，默认写进场景。可视化深度绑快捷键。没有可视化不许调 bias。双路线禁止同时开。需求文档写自阴影要或不要。不要写成“尽量真实”。真实没有上限，账单有。

阴影验收：立方体投在平面上应贴脚；自阴影在凹槽里应看见；bias 滑条能从 acne 调到 peter pan 再调回。滑不到中间值，说明分辨率或灯 VP 错，不是滑条不够细。投射者列表为空则跳过 pass，测试要覆盖空列表，防止空场景仍清一张 2048。双路线互斥写成断言。需求字段自阴影要或不要，加载时选路线。树叶用圆片或不要影，避免 PCF 把填充率打满。可视化深度键与 bias 滑条是本节工具，没有工具的阴影代码不准合入。合入后的第一周用档位机看发烫，发烫先降尺寸，不先加 cascade。cascade 是桌面高档的事。

阴影代码合入必须带可视化键与空列表测试。空列表仍创建 2048 附件的补丁直接打回。附件账单在没影的场景里照样付。用户看不见影，却在付 GPU 清屏。这是最冤枉的税。跳过 pass 是对照思维：没有投射者就没有这条路线。路线可以不走，不能不计费地空转。

现场对照时只改一个变量。同时改版本、封装、通道，归因会消失。消失之后只能靠感觉，感觉正是本书要拆掉的东西。把改动写成一条，测完再写下一条。一条一条，四组对照才用得上。用不上的对照表只是装饰。装饰填不满格子，格子空着就不要标完工。阴影这一格改完，用立方体贴地验收，不要直接上树林。

要点串联

• 平面快且假：压扁矩阵加混合，只适合平地暗示。
• 贴图真且贵：离屏深度加 FS 比较，能自阴影。
• 灯即相机：方向光正交，聚光透视，点光立方体。
• 瑕疵是离散深度：bias 与分辨率，不是再乘一个颜色能修。
• 版本：深度纹理在 1.0 是扩展，在 2.0 更顺。
• 减法：不是所有灯、所有网格都要进阴影 pass。

下一节对照纹理进阶：从一张反照率，到立方体环境，再到 PBR 那一组贴图。