Line data Source code
1 : /* csm.cpp: cascaded shadow maps
2 : *
3 : * The cascaded shadow maps are used to provide levels of detail for sunlight
4 : * (nearer areas get higher resolution shadow maps, and farther areas are
5 : * covered by lower quality shadow maps). The cascading shadow maps go into the
6 : * shadow atlas and are treated the same as any other light (though their size
7 : * is typically a sizable portion of the atlas space)
8 : */
9 : #include "../libprimis-headers/cube.h"
10 : #include "../../shared/geomexts.h"
11 : #include "../../shared/glexts.h"
12 :
13 : #include "csm.h"
14 : #include "octarender.h"
15 : #include "rendergl.h"
16 : #include "renderlights.h"
17 : #include "shaderparam.h"
18 : #include "texture.h"
19 :
20 : #include "interface/cs.h"
21 :
22 : #include "world/light.h"
23 :
24 : cascadedshadowmap csm;
25 :
26 : //====================== cascaded shadow map object ============================//
27 :
28 2 : cascadedshadowmap::cascadedshadowmap() : csmmaxsize(768), csmnearplane(1),
29 1 : csmfarplane(1024), csmsplits(3), csmcull(true), csmshadowmap(true),
30 1 : csmsplitweight(0.75f), csmpradiustweak(1.f), csmdepthrange(1024.f),
31 1 : csmdepthmargin(0.1f), csmbias(1e-4f), csmbias2(2e-4f),
32 9 : csmpolyfactor(2), csmpolyfactor2(3), csmpolyoffset(0), csmpolyoffset2(0)
33 : {
34 1 : }
35 :
36 : //attempts to set one of the csm properties, subject to bounds coded in this function
37 : //prints a warning if the bounds were enforced
38 1 : bool cascadedshadowmap::setcsmproperty(int index, float value)
39 : {
40 :
41 1 : switch(index)
42 : {
43 1 : case MaxSize:
44 : {
45 1 : csmmaxsize = clampvar(false, "csmmaxsize", value, 256, 2048);
46 1 : clearshadowcache();
47 1 : return true;
48 : }
49 0 : case NearPlane:
50 : {
51 0 : csmnearplane = clampvar(false, "csmnearplane", value, 1, 16);
52 0 : return true;
53 : }
54 0 : case FarPlane:
55 : {
56 0 : csmfarplane = clampvar(false, "csmfarplane", value, 64, 16384);
57 0 : return true;
58 : }
59 0 : case Cull:
60 : {
61 0 : csmcull = value;
62 0 : return true;
63 : }
64 0 : case SplitWeight:
65 : {
66 0 : csmsplitweight = clampfvar("csmsplitweight", value, 0.20f, 0.95f);
67 0 : return true;
68 : }
69 0 : case PRadiusTweak:
70 : {
71 0 : csmpradiustweak = clampfvar("csmpradiustweak", value, 1e-3f, 1e3f);
72 0 : return true;
73 : }
74 0 : case DepthRange:
75 : {
76 0 : csmdepthrange = clampfvar("csmdepthrange", value, 0.f, 1e6f);
77 0 : return true;
78 : }
79 0 : case DepthMargin:
80 : {
81 0 : csmdepthmargin = clampfvar("csmdepthmargin", value, 0.f, 1e3f);
82 0 : return true;
83 : }
84 0 : case Bias:
85 : {
86 0 : csmbias = clampfvar("csmbias", value, -1e6f, 1e6f);
87 0 : return true;
88 : }
89 0 : case Bias2:
90 : {
91 0 : csmbias2 = clampfvar("csmbias2", value, -1e16f, 1e6f);
92 0 : return true;
93 : }
94 0 : case Splits:
95 : {
96 0 : csmsplits = clampvar(false, "csmsplits", value, 1, csmmaxsplits);
97 0 : return true;
98 : }
99 0 : case ShadowMap:
100 : {
101 0 : csmshadowmap = value;
102 0 : return true;
103 : }
104 0 : case PolyFactor:
105 : {
106 0 : csmpolyfactor = clampfvar("csmpolyfactor", value, -1e3f, 1e3f);
107 0 : return true;
108 : }
109 0 : case PolyFactor2:
110 : {
111 0 : csmpolyfactor = clampfvar("csmpolyfactor", value, -1e3f, 1e3f);
112 0 : return true;
113 : }
114 0 : case PolyOffset:
115 : {
116 0 : csmpolyfactor = clampfvar("csmpolyfactor", value, -1e4f, 1e4f);
117 0 : return true;
118 : }
119 0 : case PolyOffset2:
120 : {
121 0 : csmpolyfactor = clampfvar("csmpolyfactor", value, -1e4f, 1e4f);
122 0 : return true;
123 : }
124 0 : default:
125 : {
126 0 : return false;
127 : }
128 : }
129 : }
130 :
131 : //returns the csm parameter specified by the index passed, 0 if invalid index
132 1 : float cascadedshadowmap::getcsmproperty(int index) const
133 : {
134 1 : switch(index)
135 : {
136 1 : case MaxSize:
137 : {
138 1 : return csmmaxsize;
139 : }
140 0 : case NearPlane:
141 : {
142 0 : return csmnearplane;
143 : }
144 0 : case FarPlane:
145 : {
146 0 : return csmfarplane;
147 : }
148 0 : case Cull:
149 : {
150 0 : return csmcull;
151 : }
152 0 : case SplitWeight:
153 : {
154 0 : return csmsplitweight;
155 : }
156 0 : case PRadiusTweak:
157 : {
158 0 : return csmpradiustweak;
159 : }
160 0 : case DepthRange:
161 : {
162 0 : return csmdepthrange;
163 : }
164 0 : case DepthMargin:
165 : {
166 0 : return csmdepthmargin;
167 : }
168 0 : case Bias:
169 : {
170 0 : return csmbias;
171 : }
172 0 : case Bias2:
173 : {
174 0 : return csmbias2;
175 : }
176 0 : case Splits:
177 : {
178 0 : return csmsplits;
179 : }
180 0 : case ShadowMap:
181 : {
182 0 : return csmshadowmap;
183 : }
184 0 : case PolyFactor:
185 : {
186 0 : return csmpolyfactor;
187 : }
188 0 : case PolyFactor2:
189 : {
190 0 : return csmpolyfactor2;
191 : }
192 0 : case PolyOffset:
193 : {
194 0 : return csmpolyoffset;
195 : }
196 0 : case PolyOffset2:
197 : {
198 0 : return csmpolyoffset2;
199 : }
200 0 : default:
201 : {
202 0 : return 0.f;
203 : }
204 : }
205 : }
206 :
207 0 : int cascadedshadowmap::calcbbcsmsplits(const ivec &bbmin, const ivec &bbmax)
208 : {
209 0 : int mask = (1<<csmsplits)-1;
210 0 : if(!csmcull)
211 : {
212 0 : return mask;
213 : }
214 0 : for(int i = 0; i < csmsplits; ++i)
215 : {
216 0 : const cascadedshadowmap::splitinfo &split = splits[i];
217 : int k;
218 0 : for(k = 0; k < 4; k++)
219 : {
220 0 : const plane &p = split.cull[k];
221 0 : ivec omin, omax;
222 0 : if(p.x > 0)
223 : {
224 0 : omin.x = bbmin.x;
225 0 : omax.x = bbmax.x;
226 : }
227 : else
228 : {
229 0 : omin.x = bbmax.x;
230 0 : omax.x = bbmin.x;
231 : }
232 0 : if(p.y > 0)
233 : {
234 0 : omin.y = bbmin.y;
235 0 : omax.y = bbmax.y;
236 : }
237 : else
238 : {
239 0 : omin.y = bbmax.y;
240 0 : omax.y = bbmin.y;
241 : }
242 0 : if(p.z > 0)
243 : {
244 0 : omin.z = bbmin.z;
245 0 : omax.z = bbmax.z;
246 : }
247 : else
248 : {
249 0 : omin.z = bbmax.z;
250 0 : omax.z = bbmin.z;
251 : }
252 0 : if(omax.dist(p) < 0)
253 : {
254 0 : mask &= ~(1<<i);
255 0 : goto nextsplit;//skip rest and restart loop
256 : }
257 0 : if(omin.dist(p) < 0)
258 : {
259 0 : goto notinside;
260 : }
261 : }
262 0 : mask &= (2<<i)-1;
263 0 : break;
264 0 : notinside:
265 0 : while(++k < 4)
266 : {
267 0 : const plane &p = split.cull[k];
268 0 : ivec omax(p.x > 0 ? bbmax.x : bbmin.x, p.y > 0 ? bbmax.y : bbmin.y, p.z > 0 ? bbmax.z : bbmin.z);
269 0 : if(omax.dist(p) < 0)
270 : {
271 0 : mask &= ~(1<<i);
272 0 : break;
273 : }
274 : }
275 0 : nextsplit:;
276 : }
277 0 : return mask;
278 : }
279 :
280 0 : int cascadedshadowmap::calcspherecsmsplits(const vec ¢er, float radius) const
281 : {
282 0 : int mask = (1<<csmsplits)-1;
283 0 : if(!csmcull)
284 : {
285 0 : return mask;
286 : }
287 0 : for(int i = 0; i < csmsplits; ++i)
288 : {
289 0 : const cascadedshadowmap::splitinfo &split = splits[i];
290 : int k;
291 0 : for(k = 0; k < 4; k++)
292 : {
293 0 : const plane &p = split.cull[k];
294 0 : float dist = p.dist(center);
295 0 : if(dist < -radius)
296 : {
297 0 : mask &= ~(1<<i);
298 0 : goto nextsplit; //skip rest and restart loop
299 : }
300 0 : if(dist < radius)
301 : {
302 0 : goto notinside;
303 : }
304 : }
305 0 : mask &= (2<<i)-1;
306 0 : break;
307 0 : notinside:
308 0 : while(++k < 4)
309 : {
310 0 : const plane &p = split.cull[k];
311 0 : if(p.dist(center) < -radius)
312 : {
313 0 : mask &= ~(1<<i);
314 0 : break;
315 : }
316 : }
317 0 : nextsplit:;
318 : }
319 0 : return mask;
320 : }
321 :
322 0 : void cascadedshadowmap::updatesplitdist()
323 : {
324 0 : float lambda = csmsplitweight,
325 0 : nd = csmnearplane,
326 0 : fd = csmfarplane,
327 0 : ratio = fd/nd;
328 0 : splits[0].nearplane = nd;
329 0 : for(int i = 1; i < csmsplits; ++i)
330 : {
331 0 : float si = i / static_cast<float>(csmsplits);
332 0 : splits[i].nearplane = lambda*(nd*std::pow(ratio, si)) + (1-lambda)*(nd + (fd - nd)*si);
333 0 : splits[i-1].farplane = splits[i].nearplane * 1.005f;
334 : }
335 0 : splits[csmsplits-1].farplane = fd;
336 0 : }
337 :
338 0 : void cascadedshadowmap::getmodelmatrix()
339 : {
340 0 : model = viewmatrix;
341 0 : model.rotate_around_x(sunlightpitch/RAD);
342 0 : model.rotate_around_z((180-sunlightyaw)/RAD);
343 0 : }
344 :
345 0 : void cascadedshadowmap::getprojmatrix()
346 : {
347 0 : lightview = vec(sunlightdir).neg();
348 :
349 : // compute the split frustums
350 0 : updatesplitdist();
351 :
352 : // find z extent
353 0 : float minz = lightview.project_bb(worldmin, worldmax),
354 0 : maxz = lightview.project_bb(worldmax, worldmin),
355 0 : zmargin = std::max((maxz - minz)*csmdepthmargin, 0.5f*(csmdepthrange - (maxz - minz)));
356 0 : minz -= zmargin;
357 0 : maxz += zmargin;
358 :
359 : // compute each split projection matrix
360 0 : for(int i = 0; i < csmsplits; ++i)
361 : {
362 0 : splitinfo &split = splits[i];
363 0 : if(split.idx < 0)
364 : {
365 0 : continue;
366 : }
367 0 : const shadowmapinfo &sm = shadowmaps[split.idx];
368 :
369 0 : vec c;
370 0 : float radius = calcfrustumboundsphere(split.nearplane, split.farplane, camera1->o, camdir(), c);
371 :
372 : // compute the projected bounding box of the sphere
373 0 : vec tc;
374 0 : model.transform(c, tc);
375 0 : int border = smfilter > 2 ? smborder2 : smborder;
376 0 : const float pradius = std::ceil(radius * csmpradiustweak),
377 0 : step = (2*pradius) / (sm.size - 2*border);
378 0 : vec2 offset = vec2(tc).sub(pradius).div(step);
379 0 : offset.x = std::floor(offset.x);
380 0 : offset.y = std::floor(offset.y);
381 0 : split.center = vec(vec2(offset).mul(step).add(pradius), -0.5f*(minz + maxz));
382 0 : split.bounds = vec(pradius, pradius, 0.5f*(maxz - minz));
383 :
384 : // modify mvp with a scale and offset
385 : // now compute the update model view matrix for this split
386 0 : split.scale = vec(1/step, 1/step, -1/(maxz - minz));
387 0 : split.offset = vec(border - offset.x, border - offset.y, -minz/(maxz - minz));
388 :
389 0 : split.proj.identity();
390 0 : split.proj.settranslation(2*split.offset.x/sm.size - 1, 2*split.offset.y/sm.size - 1, 2*split.offset.z - 1);
391 0 : split.proj.setscale(2*split.scale.x/sm.size, 2*split.scale.y/sm.size, 2*split.scale.z);
392 : }
393 0 : }
394 :
395 0 : void cascadedshadowmap::gencullplanes()
396 : {
397 0 : for(int i = 0; i < csmsplits; ++i)
398 : {
399 0 : splitinfo &split = splits[i];
400 0 : matrix4 mvp;
401 0 : mvp.mul(split.proj, model);
402 0 : vec4<float> px = mvp.rowx(),
403 0 : py = mvp.rowy(),
404 0 : pw = mvp.roww();
405 0 : split.cull[0] = plane(vec4<float>(pw).add(px)).normalize(); // left plane
406 0 : split.cull[1] = plane(vec4<float>(pw).sub(px)).normalize(); // right plane
407 0 : split.cull[2] = plane(vec4<float>(pw).add(py)).normalize(); // bottom plane
408 0 : split.cull[3] = plane(vec4<float>(pw).sub(py)).normalize(); // top plane
409 : }
410 0 : }
411 :
412 0 : void cascadedshadowmap::bindparams()
413 : {
414 0 : GLOBALPARAM(csmmatrix, matrix3(model));
415 :
416 0 : static GlobalShaderParam csmtc("csmtc"),
417 0 : csmoffset("csmoffset");
418 0 : vec4<float> *csmtcv = csmtc.reserve<vec4<float>>();
419 0 : vec *csmoffsetv = csmoffset.reserve<vec>();
420 0 : for(int i = 0; i < csmsplits; ++i)
421 : {
422 0 : cascadedshadowmap::splitinfo &split = splits[i];
423 0 : if(split.idx < 0)
424 : {
425 0 : continue;
426 : }
427 0 : const shadowmapinfo &sm = shadowmaps[split.idx];
428 :
429 0 : csmtcv[i] = vec4<float>(vec2(split.center).mul(-split.scale.x), split.scale.x, split.bounds.x*split.scale.x);
430 :
431 0 : const float bias = (smfilter > 2 ? csmbias2 : csmbias) * (-512.0f / sm.size) * (split.farplane - split.nearplane) / (splits[0].farplane - splits[0].nearplane);
432 0 : csmoffsetv[i] = vec(sm.x, sm.y, 0.5f + bias).add2(0.5f*sm.size);
433 : }
434 0 : GLOBALPARAMF(csmz, splits[0].center.z*-splits[0].scale.z, splits[0].scale.z);
435 0 : }
436 :
437 0 : void cascadedshadowmap::setup()
438 : {
439 0 : int size = (csmmaxsize * shadowatlaspacker.dimensions().x) / shadowatlassize;
440 0 : for(int i = 0; i < csmsplits; i++)
441 : {
442 0 : ushort smx = USHRT_MAX,
443 0 : smy = USHRT_MAX;
444 0 : splits[i].idx = -1;
445 0 : if(shadowatlaspacker.insert(smx, smy, size, size))
446 : {
447 0 : addshadowmap(smx, smy, size, splits[i].idx);
448 : }
449 : }
450 0 : getmodelmatrix();
451 0 : getprojmatrix();
452 0 : gencullplanes();
453 0 : }
|
