【游戏引擎开发日志4】ShadowMap生成阴影

概述

首先，来看一下实现效果：

ShadowMap是一种游戏常用的阴影技术，效果好，且实现起来比较简单，具有较好的性能。
它的思路如下：首先，把灯光当成摄像机，渲染一张灯光视角下物体的深度图，然后在摄像机渲染的阶段对这张深度图进行采样，比较当前片元和深度图里存储的对应位置片元的深度差异，如果前者深度更小，就说明它的位置没有阴影遮蔽。

那么，对于一个多光源的场景来说，选择哪一盏灯光进行阴影生成呢？我个人认为应该对于每一盏灯都设置一个是否生成阴影的属性，所有需要生成阴影的灯光都独立地生成深度图。不过，在我的小引擎中为了简化，只对一盏灯光生成了阴影。
下一个问题是：如果把灯光作为相机，那么应该选择透视相机还是正交相机？如何设置相机的各个参数？
透视投影更常用在点光源和聚光灯上，正交投影则在定向光上使用较多。
在本项目中，我采用了透视投影。
对于透视投影中参数的设置，则并不是固定的。而且，还可以对距离摄像机远近不同的区域设置不同的光源相机参数，实现更好的效果，这是级联阴影技术（Cascaded Shadow Maps）。
在本项目中，我根据调参结果选择了几个固定的常数作为光源相机参数。

流程

上图是阴影的渲染流程（忽略了最后一个把图像渲染到Imgui Image的Render Pass）。
需要重点注意ShadowPass以及它对应的RenderTarget和管线的创建配置，不能和普通的Render Pass保持完全一致。

Shadow Map对应Render Target创建

Render Target只包含一个深度图，该深度图的Image Sampler创建参数如下：

depthMapCreateInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SAMPLER_CREATE_INFO;
depthMapCreateInfo.maxAnisotropy = 1.0f;
depthMapCreateInfo.magFilter = VK_FILTER_NEAREST;
depthMapCreateInfo.minFilter = VK_FILTER_NEAREST;
depthMapCreateInfo.mipmapMode = VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR;
depthMapCreateInfo.addressModeU = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE;
depthMapCreateInfo.addressModeV = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE;
depthMapCreateInfo.addressModeW = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE;
depthMapCreateInfo.mipLodBias = 0.0f;
depthMapCreateInfo.maxAnisotropy = 1.0f;
depthMapCreateInfo.minLod = 0.0f;
depthMapCreateInfo.maxLod = 1.0f;
depthMapCreateInfo.borderColor = VK_BORDER_COLOR_FLOAT_OPAQUE_WHITE;

需要重点关注addressModeU和addressModeV参数，不要把它们设置为Repeat的模式。
创建Image代码如下：

std::shared_ptr<VulkanImage>depthImage = std::make_shared<VulkanImage>(
				extent.width,
				extent.height,
				depthFormat,
				VK_IMAGE_TILING_OPTIMAL,
				VK_IMAGE_USAGE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT | VK_IMAGE_USAGE_SAMPLED_BIT,
				0
);

这里注意，需要指定VK_IMAGE_USAGE枚举值，不要出错。
创建ImageView代码如下：

depthAttachments[i] = std::make_shared<VulkanImageView>(depthImage, 
				depthFormat, VK_IMAGE_ASPECT_DEPTH_BIT);
depthAttachments[i]->SetDescriptorImageInfo(VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_READ_ONLY_OPTIMAL);

//descriptor info
void VulkanImageView::setDescriptorImageInfo(VkImageLayout layout)
{
   
   
	imageInfo.reset();
	imageInfo = std::make_shared<VkDescriptorImageInfo>();
	imageInfo->imageLayout = layout;
	imageInfo->imageView = imageView;
	imageInfo->sampler = sampler->GetSampler();
}

创建Image View的代码和普通的图像差异不大，只是要注意，因为这张深度图将要用于采样，所以需要为它设置DescriptorImageInfo，注意ImageLayout的拼写不要拼错了，Vulkan中有一个枚举值和VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_READ_ONLY_OPTIMAL非常相似。

Shadow Pass创建

接下来，需要创建Shadow Pass。
Shadow Pass创建首先需要指定Attachment类型，注意finalLayout一定要和深度图Descriptor Info里的layout保持一致；其次，要添加一个SubPass，并添加一个外部进入该SubPass的Dependency和从SubPass离开的Dependency。
代码如下：

//shaodow pass
shadowRenderPass = std::make_shared<VulkanRenderPass>();
uint32_t depthIndex1, subPassIndex1;
shadowRenderPass->AddAttachment(depthIndex1,
	VulkanDevice::Get()->findSupportedFormat(
		{
   
    VK_FORMAT_D32_SFLOAT, VK_FORMAT_D32_SFLOAT_S8_UINT, VK_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT },
		VK_IMAGE_TILING_OPTIMAL,
		VK_FORMAT_FEATURE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT),
	VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT,
	VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR,
	VK_ATTACHMENT_STORE_OP_STORE,
	VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_DONT_CARE,
	VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE,
	VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED,
	VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_READ_ONLY_OPTIMAL
);
shadowRenderPass->AddSubPass(
	subPassIndex1,
	VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS,
	{
   
     },
	depthIndex1
);
shadowRenderPass->AddDependency(
	VK_SUBPASS_EXTERNAL,
	subPassIndex1,
	VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADER_BIT,
	VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT,
	VK_ACCESS_SHADER_READ_BIT,
	VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT,
	VK_DEPENDENCY_BY_REGION_BIT

);
shadowRenderPass->AddDependency