Тени

Полный код главы

Что уже должно быть понятно:

• нормали, направленный свет, diffuse texture
• instancing, camera, depth buffer

Что появится в этой главе:

• shadow map: depth-текстура с точки зрения источника света
• orthographic projection для направленного света
• textureSampleCompare — сравнение глубины в шейдере
• depth bias — предотвращение shadow acne
• два render pass: shadow depth, scene (кубы + пол)

Итог: три куба на плоскости, отбрасывающие тени

---

Без теней объекты кажутся парящими — нет связи с поверхностью. Shadow mapping — стандартная техника: рендерим глубину сцены с точки зрения света, затем при отрисовке сцены сравниваем глубину фрагмента с записанной.

Принцип

1. Shadow pass — рисуем сцену в depth-текстуру, используя view/projection матрицу источника света. Цветового вложения нет — нужен только depth.
2. Scene pass — при отрисовке каждого фрагмента проецируем его позицию в пространство света. Если глубина фрагмента больше записанной в shadow map — фрагмент в тени.

Матрица источника света

Для направленного света используем ортографическую проекцию — параллельные лучи:

let light_view = Mat4::look_to_rh(
    Vec3::new(3.0, 5.0, 3.0),
    Vec3::new(-1.0, -1.0, -1.0).normalize(),
    Vec3::Y,
);
let light_proj = Mat4::orthographic_rh(-6.0, 6.0, -6.0, 6.0, 0.1, 20.0);
let light_view_proj = light_proj * light_view;

look_to_rh задаёт позицию и направление взгляда света. Ортографическая проекция задаёт прямоугольную область видимости — все объекты в ней попадут в shadow map.

Shadow map

Depth-текстура фиксированного размера (1024×1024), не зависящего от размера окна:

let texture = ctx.device.create_texture(&TextureDescriptor {
    size: Extent3d { width: 1024, height: 1024, depth_or_array_layers: 1 },
    format: TextureFormat::Depth32Float,
    usage: TextureUsages::RENDER_ATTACHMENT | TextureUsages::TEXTURE_BINDING,
    ..
});

RENDER_ATTACHMENT — для записи глубины, TEXTURE_BINDING — для чтения в сцене.

Shadow pipeline

Shadow pipeline рисует только глубину — нет фрагментного шейдера (fragment: None):

let shadow_pipeline = ctx.device.create_render_pipeline(&RenderPipelineDescriptor {
    fragment: None,
    depth_stencil: Some(DepthStencilState {
        format: TextureFormat::Depth32Float,
        depth_write_enabled: Some(true),
        depth_compare: Some(CompareFunction::Less),
        bias: DepthBiasState { constant: 2, slope_scale: 2.0, clamp: 0.0 },
        ..
    }),
    ..
});

Depth bias

Без bias возникает shadow acne — полосы на освещённых поверхностях из-за погрешности сравнения глубин. Bias сдвигает глубину при записи в shadow map, устраняя самозатенение:

bias: DepthBiasState { constant: 2, slope_scale: 2.0, clamp: 0.0 },

slope_scale увеличивает bias для поверхностей, расположенных под углом к лучу света.

Если bias слишком большой, возникает Peter Panning — тень «отрывается» от объекта, как будто он парит над поверхностью. Значение нужно подбирать: минимальное, устраняющее acne.

Сглаживание краёв теней (soft shadows) достигается через PCF (Percentage Closer Filtering) — несколько сэмплов shadow map вокруг текущей точки с усреднением. Наша реализация использует один сэмпл, но textureSampleCompare с comparison sampler уже обеспечивает базовое сглаживание.

Shadow pass

Render pass без цветового вложения — только depth:

let mut rpass = encoder.begin_render_pass(&RenderPassDescriptor {
    color_attachments: &[],  // нет цвета
    depth_stencil_attachment: Some(RenderPassDepthStencilAttachment {
        view: &self.shadow_texture_view,
        depth_ops: Some(Operations { load: LoadOp::Clear(1.0), store: StoreOp::Store }),
        stencil_ops: None,
    }),
    ..
});

Сравнение глубины в шейдере

Сцена использует textureSampleCompare — сравнивает глубину фрагмента с shadow map за одну операцию:

let light_coords = input.light_pos;  // уже после perspective divide
let shadow_uv = vec3<f32>(
    light_coords.x * 0.5 + 0.5,
    1.0 - (light_coords.y * 0.5 + 0.5),
    light_coords.z - 0.005
);

Координаты из clip space (−1…1) преобразуются в UV (0…1). Y инвертируется: в clip space Y вверх, в текстурах — вниз. shadow_uv.z - 0.005 — дополнительный bias для устранения acne.

В vertex shader позиция в пространстве света вычисляется с perspective divide — делением на w:

let light_clip = light.light_view_proj * world_pos;
output.light_pos = light_clip.xyz / light_clip.w;

Без деления на w координаты в clip space не переходят корректно в NDC, и shadow UV получаются неправильными.

var shadow = 0.0;
if (shadow_uv.x >= 0.0 && shadow_uv.x <= 1.0 &&
    shadow_uv.y >= 0.0 && shadow_uv.y <= 1.0) {
    shadow = textureSampleCompare(shadow_tex, shadow_sampler, shadow_uv.xy, shadow_uv.z);
} else {
    shadow = 1.0;
}

Фрагменты вне shadow map считаются освещёнными (shadow = 1.0).

Сэмплер для тени использует compare: Some(CompareFunction::LessEqual) и SamplerBindingType::Comparison.

Влияние тени на освещение

Итоговая интенсивность учитывает тень:

let intensity = light.ambient + diffuse * shadow * (1.0 - light.ambient);

shadow ∈ [0, 1]: 1.0 — полностью освещён, 0.0 — в тени. Ambient всегда виден.

Пол

Плоский квад на y = −0.5 принимает тени от кубов. Использует тот же pipeline, но свой bind group с отдельной текстурой и свои вершинные данные:

const FLOOR_VERTICES: &[Vertex] = &[
    Vertex { position: [-5.0, -0.5, -5.0], normal: [0.0, 1.0, 0.0], uv: [0.0, 0.0] },
    Vertex { position: [ 5.0, -0.5, -5.0], normal: [0.0, 1.0, 0.0], uv: [5.0, 0.0] },
    Vertex { position: [ 5.0, -0.5,  5.0], normal: [0.0, 1.0, 0.0], uv: [5.0, 5.0] },
    Vertex { position: [-5.0, -0.5,  5.0], normal: [0.0, 1.0, 0.0], uv: [0.0, 5.0] },
];

const FLOOR_INDICES: &[u16] = &[0, 1, 2, 0, 2, 3];

4 вершины, 2 треугольника. Нормаль (0, 1, 0) — вверх. UV-координаты повторяют текстуру 5 раз (UV от 0 до 5 вместо 0 до 1). Порядок индексов 0, 1, 2, 0, 2, 3 — CCW при виде сверху:

rpass.set_vertex_buffer(0, self.floor_vertex_buffer.slice(..));
rpass.set_vertex_buffer(1, self.floor_instance_buffer.slice(..));
rpass.set_index_buffer(self.floor_index_buffer.slice(..), IndexFormat::Uint16);
rpass.set_bind_group(1, &self.floor_light_bind_group, &[]);
rpass.draw_indexed(0..6, 0, 0..1);

Что получилось

Типичные ошибки

• orthographic_rh_gl вместо orthographic_rh — Z range будет [-1,1] вместо [0,1], тени сломаются
• Без perspective divide (light_clip.xyz / light_clip.w) координаты тени неправильные
• fragment: None в shadow pipeline — это depth-only rendering, фрагментный шейдер не нужен
• Слишком большой bias → Peter Panning (тень «отрывается» от объекта)

Три куба на плоской поверхности. Каждый отбрасывает тень на пол. Камера свободно перемещается — можно посмотреть на тени с разных сторон.

Попробуем

• Убрать depth bias (constant: 0, slope_scale: 0.0) — увидеть shadow acne
• Увеличить SHADOW_MAP_SIZE до 2048 — более чёткие края теней
• Изменить позицию источника — посмотреть, как тени смещаются
• Убрать shadow pass (закомментировать) — кубы без теней, как в прошлых главах

Полный код главы