Clase 098 — Sombras: shadow mapping y calidad

Parte: 4 — Gráficos, shaders y rendering moderno · Fuente: Godot Docs — Lights and shadows / DirectionalLight3D shadow settings ⏱️ Duración estimada: 55 min · Nivel: Avanzado

🎯 Objetivo

Entender cómo Godot 4 genera sombras con shadow mapping (un mapa de profundidad renderizado desde el punto de vista de la luz) y aprender a diagnosticar y corregir los dos artefactos clásicos —shadow acne y peter-panning— ajustando bias, normal bias, resolución del mapa y cascadas (CSM) para sombras direccionales.

📚 Resultados de aprendizaje

Al finalizar, el alumno podrá:

1. Explicar el algoritmo de shadow mapping en dos pasadas (mapa de profundidad + comparación).
2. Identificar visualmente shadow acne y peter-panning y nombrar su causa.
3. Ajustar Bias y Normal Bias para eliminar acné sin introducir peter-panning.
4. Configurar cascadas (CSM) y su distribución (split, fade) en una DirectionalLight3D.
5. Balancear calidad de sombra contra coste de GPU eligiendo resolución y modo de filtrado.

🗺️ Temas

📖 Definiciones y características

• Shadow map: textura de profundidad que guarda, por cada téxel, la distancia del objeto más cercano a la luz. Un fragmento está en sombra si su profundidad supera la almacenada.
• Shadow acne: patrón de rayas oscuras sobre superficies iluminadas causado por precisión finita del mapa: un téxel cubre varios fragmentos y algunos quedan "detrás" de sí mismos.
• Bias: desplazamiento que aleja la comparación de profundidad para evitar el auto-sombreado. Demasiado bias produce peter-panning.
• Normal bias: desplaza el punto de muestreo a lo largo de la normal; corrige acné en superficies inclinadas con menos peter-panning que el bias plano.
• Peter-panning: la sombra se separa de la base del objeto, que parece "flotar", porque el bias empujó el contacto.
• PCF (Percentage Closer Filtering): promedia varias muestras vecinas del mapa para suavizar el borde de la sombra.
• CSM (Cascaded Shadow Maps): divide el frustum en tramos (cascadas) con mapas distintos; los tramos cercanos reciben más resolución.
• Directional shadow mode: en Godot, Orthogonal, PSSM 2 Splits o PSSM 4 Splits controlan cuántas cascadas usa la luz direccional.

🧰 Herramientas y preparación

Necesitas Godot 4.x con el renderizador Forward+ o Mobile (el shadow mapping de alta calidad y las cascadas están más completos en Forward+). Crea una escena con un WorldEnvironment, un plano grande como suelo, varias cajas y una DirectionalLight3D. Activa las sombras en la luz (Shadow > Enabled). Ten a mano el inspector de la luz y del Project Settings > Rendering > Lights and Shadows, donde se define el tamaño del atlas.

• Documentación de sombras: https://docs.godotengine.org/en/stable/tutorials/3d/lights_and_shadows.html
• Ajustes de calidad de sombra: https://docs.godotengine.org/en/stable/tutorials/3d/using_transform_feedback.html (referencia general de rendering)

🧪 Laboratorio guiado

Vamos a configurar sombras de calidad y a provocar y corregir los artefactos para verlos con nuestros ojos.

Paso 1 — Escena base. Crea Node3D raíz con un suelo (MeshInstance3D + PlaneMesh de 40×40), tres o cuatro BoxMesh apoyadas encima y una DirectionalLight3D inclinada (rotación X ≈ -45°).

Paso 2 — Activar sombras. En la DirectionalLight3D: Shadow > Enabled = On. Muy probablemente aparezcan rayas oscuras: eso es shadow acne.

Paso 3 — Provocar peter-panning. Sube Shadow > Bias a un valor exagerado (por ejemplo 0.5). El acné desaparece pero las sombras se despegan de la base de las cajas: peter-panning.

Paso 4 — Encontrar el equilibrio. Baja Bias hasta ~0.03–0.06 y sube Normal Bias a ~1.0–2.0. El normal bias corrige el acné en caras inclinadas sin despegar la sombra.

Paso 5 — Cascadas. En Directional Shadow > Mode elige PSSM 4 Splits. Ajusta Split 1/2/3 para repartir resolución (valores por defecto suelen ir bien) y usa Blend Splits = On para suavizar la transición entre cascadas.

Paso 6 — Resolución del atlas. En Project Settings > Rendering > Lights and Shadows > Directional Shadow > Size, prueba 2048 frente a 4096. Observa cómo el borde se vuelve más nítido a mayor tamaño y anota el coste.

Paso 7 — Script para alternar calidad en runtime y comparar rápido:

extends DirectionalLight3D

# Alterna entre un preset "rápido" y uno "de calidad" con la tecla Espacio.
var _calidad := false

func _input(event: InputEvent) -> void:
    if event.is_action_pressed("ui_accept"):
        _calidad = not _calidad
        if _calidad:
            shadow_bias = 0.04
            shadow_normal_bias = 1.5
            directional_shadow_mode = DirectionalLight3D.SHADOW_PARALLEL_4_SPLITS
        else:
            shadow_bias = 0.5           # exagerado: verás peter-panning
            shadow_normal_bias = 0.0
            directional_shadow_mode = DirectionalLight3D.SHADOW_ORTHOGONAL
        print("Calidad:", _calidad, " bias:", shadow_bias)

Al pulsar Espacio verás alternar el artefacto y la corrección: eso es lo visible de esta clase.

✍️ Ejercicios

1. Con Bias = 0 describe por escrito el patrón de acné y en qué caras aparece más.
2. Encuentra el Bias mínimo que elimina el acné en una esfera; anota el valor.
3. Sube solo Normal Bias (con Bias bajo) y explica por qué reduce el acné en rampas.
4. Compara PSSM 2 Splits vs 4 Splits a 30 m de cámara: ¿dónde se nota más?
5. Mide FPS con atlas 2048 y 4096 en la misma escena y calcula el % de diferencia.
6. Añade una OmniLight3D con sombra y observa que usa un cubemap, no cascadas.

📝 Reto verificable

Crea una escena con suelo, al menos cinco objetos y una DirectionalLight3D con sombras configuradas de forma que no haya acné visible ni peter-panning perceptible en el contacto de los objetos con el suelo, usando PSSM 4 Splits.

Criterio de aceptación: en una captura cenital y otra a ras de suelo no se aprecian rayas de auto-sombreado ni separación entre el objeto y su sombra; los valores de Bias, Normal Bias, Mode y Size quedan documentados en un comentario del script de la escena.

⚠️ Errores comunes

❓ Preguntas frecuentes

¿Por qué el acné forma rayas y no manchas? Porque cada téxel del mapa cubre una franja de la superficie; dentro de esa franja la profundidad interpolada oscila por encima y por debajo del valor almacenado.

¿Normal bias reemplaza a bias? No; se complementan. El bias plano corrige caras frontales a la luz y el normal bias corrige caras inclinadas. Se ajustan juntos.

¿Más cascadas siempre es mejor? No: 4 splits dan más nitidez cercana pero cuestan más y pueden mostrar costuras. Usa las que tu escena necesite.

¿Las sombras de OmniLight3D usan cascadas? No; las luces puntuales proyectan a un cubemap y las spot a un solo mapa. Las cascadas son exclusivas de la luz direccional.

🔗 Referencias

• Godot — Lights and shadows: https://docs.godotengine.org/en/stable/tutorials/3d/lights_and_shadows.html
• Godot — DirectionalLight3D (clase): https://docs.godotengine.org/en/stable/classes/class_directionallight3d.html
• Godot — Rendering settings (Lights and Shadows): https://docs.godotengine.org/en/stable/classes/class_projectsettings.html

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