Zephyr3d

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反走样（Shadow Anti-Aliasing） ​

在 Zephyr3D 中，我们通过 Shadow Map（阴影贴图） 实现实时阴影。
由于阴影贴图的分辨率有限，阴影边缘会出现明显的锯齿（aliasing），
尤其在大型场景或低分辨率 ShadowMap 下更为突出。

为了获得平滑自然的阴影边缘，可以使用以下几种技术手段来减少或消除走样：

  1. 提升 ShadowMap 分辨率
  2. 使用滤波技术（PCF、PCSS、VSM、ESM）
  3. 采用分级阴影（CSM）
  4. 优化阴影距离与生效范围

下面详细介绍这些技术及其在 Zephyr3D 中的使用方式。

提高 ShadowMap 贴图分辨率 ​

最直接的办法是增加阴影贴图的分辨率。
ShadowMap 的分辨率越高，采样密度越大，阴影边缘越平滑；
但同时会消耗更多显存和渲染时间。

可以通过设置 light.shadow.shadowMapSize 属性来调整阴影贴图大小。

javascript
// 设置阴影贴图分辨率（单位像素）
light.shadow.shadowMapSize = 1024;

下面的示例可以通过按钮在 256 像素 和 1024 像素 阴影贴图之间切换。

提示：

  • 提高分辨率虽能改善边缘质量，但会显著增加 GPU 负载。
  • 通常建议在性能和质量之间取得平衡，例如 1024–2048 像素较为常见。

PCF（Percentage Closer Filtering） ​

PCF 是最常见的阴影反走样技术。
它通过在阴影贴图中多次采样并取平均值来平滑边缘，
本质上是一种采样重叠模糊（filtering blur）。

javascript
// 使用 PCF
light.shadow.mode = 'pcf';

参数说明：

参数作用
pcfKernelSizePCF 采样核尺寸，支持 3、5、7。数值越大，边缘越柔和，但采样开销更高，阴影也会更模糊。

示例：点击按钮可在 PCF 过滤阴影与常规硬边阴影之间切换。

PCSS（Percentage-Closer Soft Shadows） ​

PCSS 可以看作 PCF 的软阴影扩展。 它会先在阴影贴图中搜索遮挡物（blocker），再根据接收点与遮挡物的深度差估算半影大小， 最后使用可变半径进行滤波。这样可以得到接触处较硬、离遮挡物越远越柔和的阴影。

javascript
// 启用 PCSS 阴影模式
light.shadow.mode = 'pcss';

参数说明：

参数作用
pcssLightRadius光源半径，以 ShadowMap texel 为单位。数值越大，半影越宽，阴影越柔和；设为 0 时基本退化为硬边过滤。
pcssBlockerSampleCount遮挡物搜索采样数，范围为 1 到 64。数值越大，遮挡物估计越稳定，但查找阶段开销更高。
pcssFilterSampleCount最终软阴影滤波采样数，范围为 1 到 64。数值越大，噪点越少、边缘越平滑，但片元着色成本更高。
pcssMaxFilterRadius最大滤波半径，以 ShadowMap texel 为单位。用于限制半影扩张，避免阴影过度变宽或采样范围过大。
pcssTemporalJitter是否随帧旋转 PCSS 采样图案，便于配合 TAA 累积出更平滑的软阴影；未使用 TAA 时可能带来轻微时间噪声。

示例：点击按钮可在 PCSS 软阴影和标准硬阴影之间切换。

VSM（Variance Shadow Mapping） ​

VSM 利用统计学原理降低阴影边缘的锯齿现象。
它在阴影贴图中同时存储深度值的均值与平方均值，
从而能根据方差推导出像素的阴影概率，实现平滑过渡。

javascript
// 启用 VSM 阴影模式
light.shadow.mode = 'vsm';

特性：

  • 阴影过渡自然无噪点；
  • 在高亮镜面区域更稳定；
  • 支持模糊半径调整；
  • 可能出现光漏现象（Light Bleeding），可通过阈值调节。

参数说明：

参数作用
vsmBlurKernelSizeVSM 后处理模糊核尺寸。较大的核会产生更平滑的边缘，但会增加模糊 pass 的采样成本。
vsmBlurRadiusVSM 模糊半径。数值越大，阴影过渡带越宽；过大会削弱接触阴影细节。
vsmDarknessVSM 阴影暗度和光漏抑制强度。数值越高，阴影越深并能减少光漏；过高会压缩柔和过渡。

示例：点击按钮可在 VSM 阴影和传统硬边 ShadowMap 之间切换。

ESM（Exponential Shadow Mapping） ​

ESM 使用指数函数对深度差进行建模。
通过对阴影深度施加指数衰减，可在边界产生柔和且稳定的过渡效果。

javascript
// 启用 ESM 阴影模式
light.shadow.mode = 'esm';

优点：

  • 显著柔化阴影边缘；
  • 几乎无噪点；
  • 计算效率高。

注意：
指数函数的参数需要视场景调节，以避免阴影过宽或过浅。

参数说明：

参数作用
esmDepthScale指数深度缩放系数。数值越大，阴影衰减越陡，边缘更锐利、阴影更强；数值较小时过渡更宽但可能显得偏浅。
esmBlur是否启用 ESM 后处理模糊。开启后可以进一步柔化边缘，关闭后保留更直接的指数阴影结果。
esmLogSpace是否在对数空间执行 ESM 模糊。开启后通常更稳定，能降低指数值过大或过小带来的数值问题。
esmBlurKernelSizeESM 模糊核尺寸，仅在 esmBlur 为 true 时生效。较大的核更平滑，但采样成本更高。
esmBlurRadiusESM 模糊半径，仅在 esmBlur 为 true 时生效。数值越大，阴影边缘越宽、越柔和。

示例：点击按钮可在 ESM 阴影和标准硬阴影之间切换。

CSM（Cascaded Shadow Map） ​

CSM（分级阴影贴图） 是针对摄像机视锥（Camera Frustum）距离范围不同， 使用多级 ShadowMap 分片以提升近景细节精度的技术。

实现方式：

  • 将视锥体沿深度方向分割为多个区间（通常 3–4 段）；
  • 每段单独渲染一张 ShadowMap；
  • 近处阴影分辨率更高，远处分辨率较低。

CSM 适用于：

  • 大型地形、户外场景；
  • 摄像机运动幅度较大的应用，如第三人称视角游戏。

示例：点击按钮可在 4 级 CSM 和单级硬阴影之间切换。

限制阴影距离（Shadow Distance） ​

如果阴影覆盖范围过大， 即使使用 CSM 也可能由于深度分配不均而产生锯齿失真。
一种常见的优化方式是限制阴影有效距离，
在超过该距离时平滑过渡至无阴影状态。

javascript
// 限制阴影作用范围（单位：世界空间距离）
light.shadow.shadowDistance = 500;

此方法常用于：

  • 大型户外场景；
  • 提升性能、减小 ShadowMap 浪费；
  • 让远处对象自动忽略阴影计算。

指定阴影范围（Shadow Region） ​

ShadowRegion 用于收紧方向光阴影贴图的世界空间覆盖范围。
渲染时使用的最终范围是 shadowRegion.region，它由以下几部分取并集：

  • manualRegion：通过 setRegion(aabb) 手动指定的 AABB；
  • staticRegion：通过 addStaticCaster(node) 添加的静态投影体包围盒快照；
  • dynamicRegion：通过 addDynamicCaster(node) 添加并随 bvchanged 事件更新的动态投影体包围盒。

如果最终范围为空，方向光阴影会退回使用整个场景包围盒。
合理限制该区域可以让同样尺寸的 ShadowMap 覆盖更小的世界空间，从而提升阴影边缘精度。

javascript
// 计算场景中所有可投射阴影节点的总体包围盒
const aabb = new AABB();
aabb.beginExtend();

scene.rootNode.iterate((node) => {
  if ((node.isMesh() || node.isClipmapTerrain()) && node.castShadow) {
    const bbox = node.getWorldBoundingVolume()?.toAABB();
    if (bbox) {
      aabb.extend(bbox.minPoint);
      aabb.extend(bbox.maxPoint);
    }
  }
});

// 将阴影范围限制在此区域内
light.shadow.shadowRegion.setRegion(aabb);

对于不会移动的物体，可以把当前世界包围盒作为静态快照加入；对于会移动或包围盒会变化的物体，应使用动态投影体：

addStaticCaster() 和 addDynamicCaster() 只接受 Mesh 或 ClipmapTerrain 节点；实际渲染阴影时，节点仍需要启用 castShadow。

javascript
const shadowRegion = light.shadow.shadowRegion;

// 静态投影体：只记录添加时的世界包围盒
shadowRegion.addStaticCaster(building);

// 动态投影体：包围盒变化时自动更新 ShadowRegion
shadowRegion.addDynamicCaster(character);

// 移除单个投影体，或清空投影体列表
shadowRegion.removeCaster(character);
shadowRegion.clearCasters();

编辑器提示：
在 Zephyr3D 编辑器中可以通过可视化操作界面调整 ShadowRegion 的手动 AABB，
以精确包围需要方向光阴影的区域，从而避免不必要的阴影贴图浪费。

阴影反走样方法对比 ​

技术核心机制优点缺点性能开销
提高分辨率增加采样密度简单直接显存占用高🟠 中等
PCF多点平均采样平滑边界通用、无额外存储存在模糊🟡 中等偏高
PCSS遮挡物搜索 + 可变半径 PCF接触处硬、远处软，更接近面积光阴影采样次数多，可能需要 TAA 稳定🔵 较高
VSM利用方差统计实现平滑稳定自然、可模糊可能光漏🟡 中等
ESM深度指数衰减柔和、无噪点参数敏感🟢 高效
CSM多层分级 ShadowMap近景细节高管理复杂🔵 较高

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