在解析这个系统前，先说明一下， N3 是一个右手坐标系， 如下所示：

/** N3, right-handed coordinate system

*      ^

*     y|

*      |

*      |_______> x

*      / 

*     /

*    /z

*   v

*/

光照系统和阴影系统历来是两个相生相克的的系统。而且内容非常丰富，在渲染系统中，这两个系统也是各个商业引擎争相称赞炫耀的领域。这里只针对N3在这方面的设计做一个解析。

在解析前，先需要了解一下，现在比较流行的光照的系统模型（不是指光照的颜色理论模型）。具体是：Deferred lighting, Z pre- pass Lighting,   Light Pre-pass lighting,  

这里引用一个文章：

中文翻译后的，关于 Light Pre-pass lighting (N3 用的就是这个模型)

N3 中的光照系统，把光源分为，全局光源，点光源和聚光源。

其中 InternalGlobalEntity 实现的是一个全局有向光，主要用于室外场景渲染和作为室内场景的基准的渲染。全局光，除了一个主要的有向光线外，还包含一个环境色的部分，这个环境色会被应用于处在阴影当中的那些顶点。在渲染的时候，只应该存在一个激活的全局光源。全局光的有向光的部分的方向是沿着光源的变换矩阵的负z轴。变换矩阵的缩放和坐标对于全局光来说没有任何影响。(一个变换矩阵，可以分解成三个子矩形，平移矩阵(对应一个坐标)， 缩放矩阵(对应缩放因子)，旋转矩阵(对应方向)。对于全局光来说，只有旋转矩阵会影响到它)。

其中 InternalPointLightEntity 对应的是点光源, 点光源需要的是就是一个坐标点, 光的方向，范围

其中InternalSpointLightEntity 对应的是聚光源, 需要坐标点，方向，范围，锥体的角度幅度

对于所有光源都可以设置的参数主要就是：位置，方向，颜色，是否投射阴影。

N3 整个系统对于最大的光源数目是有限制的，对于最大的投影数目也是有限制的，建议场景中投射阴影的光源最好只有一个，光源数据不要超过8个。N3引擎的代码中还限定了一个常量，相机和光源的总数不能超过64。

在细节描述具体的光照算法前，我们先整体了解在N3的整个渲染流程中，光照相关的渲染是一个什么样的流程：

我们从 view 的 render 开始看，

• 1. 是光照服务器和阴影服务器的初始化：

lightServer->BeginFrame(this->camera);

shadowServer->BeginFrame(this->camera);

这一步，其实只是记下相机，并编辑帧渲染的开始

• 2. 确定当前帧，需要计算到的光源，也就是查找摄像机能够看到的光源，

this->ResolveVisibleLights();

深究一下这个函数，其实他是把当前相机看到的所有光源执行一个

void

InternalAbstractLightEntity::OnResolveVisibility()

{

if (this->GetCastShadows())

    {

// maybe cast shadows

ShadowServer::Instance()->AttachVisibleLight(this);

    }

else

    {

// casts no shadows by default, can go directly into lightserver

LightServer::Instance()->AttachVisibleLight(this);

    }

}

这个就会把光源加入光源管理器和投影管理器。

注意到一个细节，对于这一趟，那些投射阴影的光源并没用加入光源管理器中，是的，这些灯光是在另外一个地方加入光源管理器的。

void

ShadowServerBase::EndAttachVisibleLights()

{

n_assert(this->inBeginAttach);

this->inBeginAttach = false;

// @todo: sort shadow casting light sources by priority

this->SortLights();

// set only max num lights to shadow casting

IndexT i;

IndexT countLights = 0;

for (i = 0; i < this->localLightEntities.Size(); ++i)

    {          

if (countLights < MaxNumShadowLights)

        {              

this->localLightEntities[i]->SetCastShadowsThisFrame(true);

// attach light to light server with correct shadow casting flag

LightServer::Instance()->AttachVisibleLight(this->localLightEntities[i]);

        }

else

        {  

this->localLightEntities[i]->SetCastShadowsThisFrame(false);

// attach light to light server with correct shadow casting flag

LightServer::Instance()->AttachVisibleLight(this->localLightEntities[i]);

this->localLightEntities.EraseIndex(i);

            --i;

        }

countLights++;

    }

}

在投影管理器加载完当前帧投射阴影的灯光后，把在这里设置好投射阴影标准后，加入灯光管理器。

• 3 根据光源信息，生成shadow map。

void

SM30ShadowServer::UpdateShadowBuffers()

{

n_assert(this->inBeginFrame);

n_assert(!this->inBeginAttach);

// update local lights shadow buffer

if (this->localLightEntities.Size() > 0)

    {

this->UpdateLocalLightShadowBuffers();

    }

// update global ligth parallel-split-shadow-map shadow buffers

if (this->globalLightEntity.isvalid())

    {

//this->UpdatePSSMShadowBuffers();

    }

}

这里的shadowmap 会分为全局光和点光聚光。 N3在代码中关闭了全局光的阴影生成。

• 4 接下来就是光照计算的各种pass，也就是 light pre-pass 的具体计算

这里贴一下N3中配置的 light pre- pass 的光照计算的渲染批次：

• 4.1 生成solid 的 GBuffer

<!-- render the normal-depth pass -->

    <Pass name="NormalDepth" multipleRenderTarget="GBuffer" shader="p_depth">

        <Batch shader="b_empty" type="Solid" shdFeatures="NormalDepth"  nodeFilter="Solid"          sorting="None"        lighting="None"/>      

    </Pass>

• 4.2 生成solid 的 LightBuffer

<Pass name="Prelight" renderTarget="LightBuffer" shader="p_prelight" clearColor="0.0,0.0,0.0,0.0">

        <ApplyShaderVariable sem="NormalBuffer" value="NormalBuffer"/>                   

        <ApplyShaderVariable sem="DSFObjectDepthBuffer" value="DSFObjectDepthBuffer"/>

        <Batch shader="b_empty" type="Lights"/>

    </Pass>

• 4.3 生成 alpha 的 GBuffer (半透明物体的深度缓存和不透明物体是不一致的)

<!-- render the normal-depth pass for alpha lighten objects -->

    <Pass name="NormalDepthAlpha" multipleRenderTarget="AlphaGBuffer" shader="p_depth">              

        <Batch shader="b_empty" type="Solid" shdFeatures="NormalDepth" nodeFilter="AlphaLit" sorting="None" lighting="None"/>

        <!-- <Batch shader="b_empty" type="Alpha" shdFeatures="NormalDepth" nodeFilter="ParticleLit" sorting="None" lighting="None"/> -->

    </Pass>

• 4.4 生成 alpha 的 LightBuffer

<!-- render the pre-light pass (assumes that a fullscreen global light is rendered first) -->

    <Pass name="PrelightAlpha" renderTarget="AlphaLightBuffer" shader="p_prelight" clearColor="0.0,0.0,0.0,0.0">

        <ApplyShaderVariable sem="NormalBuffer" value="AlphaNormalDepthBuffer"/>                   

        <ApplyShaderVariable sem="DSFObjectDepthBuffer" value="AlphaDSFBuffer"/>

        <Batch shader="b_empty" type="Lights"/>

    </Pass>

光照流程基本就是上述描述的。其中涉及几个概念，下深入具体的光照运算前，需要题记一下：

[补充说明 阴影贴图(shadow map)]

---

要理解N3的阴影绘制就需要先理解阴影贴图。 []

Shadow Map 一种用于生成实时阴影的技术。另外一种是Shadow Volume（原理复杂，编写复杂，运算的复杂度与场景复杂度有关）　　

Shadow Map的基本实现方法：　　

1、将场景的深度值预先渲染到 以光源位置为原点、光线发射方向为观察方向的投影坐标系中，形成深度纹理。　　

2、再次渲染场景的过程中，将每个片断（像素）变换到前述眼坐标系中，并缩放到[0，1]的范围内以便查询纹理。　　

3、以当前片断在眼坐标中的S、T坐标查询深度纹理获得深度值，将此深度值与当前片断的R坐标进行比较，若R坐标大于深度值，则当前片断在阴影中；否则当前片断受光照。　　

上述是基本原理，希望能够理解。　　但令人失望的是，这种方法只适合于灯类型是聚光灯（Spot light ）的场合。

如果灯类型是点光源（Point light）的话，则在第一步中需要生成的不是一张深度纹理，是一个立方深度纹理（cube texture）。　

如果灯类型是方向光（Directional light）的话：第一步要做的工作是：　　

     1、需要把视点（camera，view）的视椎体（camera frustum）搬到光源的view space　　

     2、求得view matrix的各个参数：farZ参数为在view space中视椎体的maxZ-minZ；nearZ为0.0；upVector是方向光的任意一个垂直向量；lookAt是视椎体的“质心”　　

     3、计算view matrix，把veiw matrix搬到平行投影坐标系（orthographic projection space）　　

Shadow Map可以正确地形成自阴影，但会出现几种失真。

第一种失真是阴影边缘有锯齿。这容易明白，主要是因为深度纹理的分辨率有限。

第二种是阴影内部甚至是整个场景都有不规则阴影。这是因为深度纹理每一个像素点的精度有限，当这个深度像素点在pixel shader里和当前处理的点做比较时，由于这两点的z都很相近，产生z-fighting。可以通过在做比较时设置一个z偏移（即把这两点人为的分开一点距离）来避免z-fighting；也可缩小投影视椎体大小（即减小fov，减小Zn和Zf的距离，特别的，尽量增大Zn，原因请参考投影矩阵的原理），提高深度纹理像素点的数值大小，从而提高精度。　　此外还受深度纹理尺寸的限制，所形成的阴影边缘锯齿较严重。需要进行模糊处理，甚至是半影处理。

N3 的 阴影贴图的渲染

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待续