Shaders/airfield.frag

   1 // -*-C++-*-
   2
   3 // written by Thorsten Renk, Oct 2011, based on default.frag
   4 // Ambient term comes in gl_Color.rgb.
   5 varying vec4 diffuse_term;
   6 varying vec3 normal;
   7 //varying vec2 nvec;
   8 varying vec3 relPos;
   9 varying vec2 rawPos;
  10
  11
  12 uniform sampler2D texture;
  13 uniform sampler2D snow_texture;
  14
  15
  16 //varying float yprime_alt;
  17 //varying float mie_angle;
  18 varying float steepness;
  19 \r
  20
  21 uniform float visibility;
  22 uniform float avisibility;
  23 uniform float scattering;
  24 uniform float terminator;
  25 uniform float terrain_alt;
  26 uniform float hazeLayerAltitude;
  27 uniform float overcast;
  28 uniform float eye_alt;
  29 uniform float snowlevel;
  30 uniform float dust_cover_factor;
  31 uniform float fogstructure;
  32 uniform float cloud_self_shading;
  33 uniform float snow_thickness_factor;
  34 uniform float ylimit;
  35 uniform float zlimit1;
  36 uniform float zlimit2;
  37 uniform float wetness;
  38 uniform int quality_level;
  39 uniform int tquality_level;
  40
  41
  42 const float EarthRadius = 5800000.0;
  43 const float terminator_width = 200000.0;
  44
  45 float alt;
  46 float eShade;
  47 float yprime_alt;
  48 float mie_angle;
  49
  50
  51
  52
  53 float rand2D(in vec2 co){
  54     return fract(sin(dot(co.xy ,vec2(12.9898,78.233))) * 43758.5453);
  55 }
  56
  57 float cosine_interpolate(in float a, in float b, in float x)
  58 {
  59         float ft = x * 3.1415927;
  60         float f = (1.0 - cos(ft)) * .5;
  61
  62         return  a*(1.0-f) + b*f;
  63 }
  64
  65 float simple_interpolate(in float a, in float b, in float x)
  66 {
  67 return a + smoothstep(0.0,1.0,x) * (b-a);
  68 //return mix(a,b,x);
  69 }
  70
  71 float interpolatedNoise2D(in float x, in float y)
  72 {
  73       float integer_x    = x - fract(x);
  74       float fractional_x = x - integer_x;
  75
  76       float integer_y    = y - fract(y);
  77       float fractional_y = y - integer_y;
  78
  79       float v1 = rand2D(vec2(integer_x, integer_y));
  80       float v2 = rand2D(vec2(integer_x+1.0, integer_y));
  81       float v3 = rand2D(vec2(integer_x, integer_y+1.0));
  82       float v4 = rand2D(vec2(integer_x+1.0, integer_y +1.0));
  83
  84       float i1 = simple_interpolate(v1 , v2 , fractional_x);
  85       float i2 = simple_interpolate(v3 , v4 , fractional_x);
  86
  87       return simple_interpolate(i1 , i2 , fractional_y);
  88 }
  89
  90
  91 float Noise2D(in vec2 coord, in float wavelength)
  92 {
  93 return interpolatedNoise2D(coord.x/wavelength, coord.y/wavelength);
  94
  95 }
  96
  97
  98
  99 float light_func (in float x, in float a, in float b, in float c, in float d, in float e)
 100 {
 101 x = x - 0.5;
 102
 103 // use the asymptotics to shorten computations
 104 if (x > 30.0) {return e;}
 105 if (x < -15.0) {return 0.0;}
 106
 107 return e / pow((1.0 + a * exp(-b * (x-c)) ),(1.0/d));
 108 }
 109
 110 // this determines how light is attenuated in the distance
 111 // physically this should be exp(-arg) but for technical reasons we use a sharper cutoff
 112 // for distance > visibility
 113
 114 float fog_func (in float targ)
 115 {
 116
 117
 118 float fade_mix;
 119
 120 // for large altitude > 30 km, we switch to some component of quadratic distance fading to
 121 // create the illusion of improved visibility range
 122
 123 targ = 1.25 * targ * smoothstep(0.04,0.06,targ); // need to sync with the distance to which terrain is drawn
 124
 125
 126 if (alt < 30000.0)
 127         {return exp(-targ - targ * targ * targ * targ);}
 128 else if (alt < 50000.0)
 129         {
 130         fade_mix = (alt - 30000.0)/20000.0;
 131         return fade_mix * exp(-targ*targ - pow(targ,4.0)) + (1.0 - fade_mix) * exp(-targ - pow(targ,4.0));
 132         }
 133 else
 134         {
 135         return exp(- targ * targ - pow(targ,4.0));
 136         }
 137
 138 }
 139
 140 void main()
 141 {
 142
 143 //if ((gl_FragCoord.y < ylimit) && (gl_FragCoord.x > zlimit1) && (gl_FragCoord.x < zlimit2))
 144 //      {discard;}
 145
 146
 147 float effective_scattering = min(scattering, cloud_self_shading);
 148 yprime_alt = diffuse_term.a;
 149 diffuse_term.a = 1.0;
 150 mie_angle = gl_Color.a;
 151
 152 vec3 shadedFogColor = vec3(0.65, 0.67, 0.78);
 153
 154 float dist = length(relPos);
 155 float ct = dot(vec3(0.0, 0.0, 1.0), relPos)/dist;
 156
 157 // this is taken from default.frag
 158     vec3 n;
 159     float NdotL, NdotHV, fogFactor;
 160     vec4 color = gl_Color;
 161     color.a = 1.0;
 162     vec3 lightDir = gl_LightSource[0].position.xyz;
 163     vec3 halfVector = gl_LightSource[0].halfVector.xyz;
 164     vec4 texel;
 165     vec4 snow_texel;
 166     vec4 detail_texel;
 167     vec4 mix_texel;
 168     vec4 fragColor;
 169     vec4 specular = vec4(0.0);
 170     float intensity;
 171
 172
 173 // get noise at different wavelengths
 174
 175 // used:        5m, 5m gradient, 10m, 10m gradient: heightmap of the closeup terrain, 10m also snow
 176 //              500m: distortion and overlay
 177 //              1500m: overlay, detail, dust, fog
 178 //              2000m: overlay, detail, snow, fog
 179
 180 float noise_01m;
 181 float noise_1m = Noise2D(rawPos.xy, 1.0);
 182 float noise_2m;
 183
 184 float noise_10m = Noise2D(rawPos.xy, 10.0);
 185 float noise_5m = Noise2D(rawPos.xy,5.0);
 186
 187
 188
 189 float noise_50m = Noise2D(rawPos.xy, 500.0);
 190 float noise_1500m = Noise2D(rawPos.xy, 1500.0);
 191 float noise_2000m = Noise2D(rawPos.xy, 2000.0);
 192
 193
 194
 195
 196
 197 //
 198
 199
 200 // get the texels
 201
 202     texel = texture2D(texture, gl_TexCoord[0].st * 5.0);
 203
 204     float distortion_factor = 1.0;
 205     float noise_term;
 206     float snow_alpha;
 207
 208     if (quality_level > 3)
 209         {
 210         //snow_texel = texture2D(snow_texture, gl_TexCoord[0].st);
 211         float sfactor;
 212         snow_texel = vec4 (0.95, 0.95, 0.95, 1.0) * (0.9 + 0.1* noise_50m + 0.1* (1.0 - noise_10m) );
 213         snow_texel.a = 1.0;
 214         noise_term = 0.1 * (noise_50m-0.5);
 215         sfactor = 1.0;//sqrt(2.0 * (1.0-steepness)/0.03) + abs(ct)/0.15;
 216         noise_term = noise_term + 0.2 * (noise_10m -0.5) * (1.0 - smoothstep(10000.0*sfactor, 16000.0*sfactor, dist)  ) ;
 217         noise_term = noise_term + 0.3 * (noise_5m -0.5) * (1.0 - smoothstep(1200.0 * sfactor, 2000.0 * sfactor, dist)  ) ;
 218         if (dist < 1000.0*sfactor){ noise_term = noise_term + 0.3 * (noise_1m -0.5) * (1.0 - smoothstep(500.0 * sfactor, 1000.0 *sfactor, dist)  );}
 219         snow_texel.a = snow_texel.a * 0.2+0.8* smoothstep(0.2,0.8, 0.3 +noise_term + snow_thickness_factor +0.0001*(relPos.z +eye_alt -snowlevel) );
 220         }
 221
 222
 223
 224
 225
 226 float dist_fact;
 227 float nSum;
 228 float mix_factor;
 229 float water_factor = 0.0;
 230 float water_threshold1;
 231 float water_threshold2;
 232
 233
 234 // get distribution of water when terrain is wet
 235
 236 if ((dist < 3000.0)&& (quality_level > 3) && (wetness>0.0))
 237                 {
 238                 water_threshold1 = 1.0-0.5* wetness;
 239                 water_threshold2 = 1.0 - 0.3 * wetness;
 240                 water_factor = smoothstep(water_threshold1, water_threshold2 , 0.5 * (noise_5m + (1.0 -noise_1m))) *   (1.0 - smoothstep(1000.0, 3000.0, dist));
 241         }
 242
 243
 244 // color and shade variation of the grass
 245
 246         float nfact_1m = 3.0 * (noise_1m - 0.5) * (1.0 - smoothstep(3000.0, 6000.0, dist/ abs(ct)));
 247         float nfact_5m = 2.0 * (noise_5m - 0.5);
 248         float nfact_10m = 1.0 * (noise_10m - 0.5);
 249         texel.rgb = texel.rgb * (0.85 + 0.1 * (nfact_1m + nfact_5m + nfact_10m));
 250     //texel.rgb = texel.rgb * (0.7 + 0.1 * (noise_10m +   2.0 * noise_5m +   3.0 * noise_1m));
 251         //texel.rgb = texel.rgb * (0.7 + 0.1 * (noise_10m + 2.0 * (1.0-smoothstep(50.0, 200.0, dist*abs(ct))) * noise_5m + (1.0-smoothstep(20.0,100.0, dist*abs(ct))) * 3.0 *noise_1m));
 252     texel.r = texel.r * (1.0 + 0.14 * smoothstep(0.5,0.7, 0.33*(2.0 * noise_10m + (1.0-noise_5m))));
 253
 254
 255 vec4 dust_color;
 256 //float snow_alpha;
 257
 258 if (quality_level > 3)
 259         {
 260         // mix dust
 261         dust_color = vec4 (0.76, 0.71, 0.56, 1.0);
 262         texel = mix(texel, dust_color, clamp(0.5 * dust_cover_factor + 3.0 * dust_cover_factor * (((noise_1500m - 0.5) * 0.125)+0.125 ),0.0, 1.0) );
 263
 264         // mix snow
 265         snow_alpha = smoothstep(0.75, 0.85, abs(steepness));
 266         texel = mix(texel, snow_texel, snow_texel.a * smoothstep(snowlevel, snowlevel+200.0, snow_alpha * (relPos.z + eye_alt)+ (noise_2000m + 0.1 * noise_10m -0.55) *400.0));
 267         }
 268
 269
 270 // darken grass when wet
 271     texel.rgb = texel.rgb * (1.0 - 0.6 * wetness);
 272
 273
 274
 275 // light computations
 276
 277
 278     vec4 light_specular = gl_LightSource[0].specular ;
 279
 280     // If gl_Color.a == 0, this is a back-facing polygon and the
 281     // normal should be reversed.
 282     //n = (2.0 * gl_Color.a - 1.0) * normal;
 283     //n = normalize(n);
 284     n = normal;//vec3 (nvec.x, nvec.y, sqrt(1.0 -pow(nvec.x,2.0) - pow(nvec.y,2.0) ));
 285     n = normalize(n);
 286
 287     NdotL = dot(n, lightDir);
 288         if ((dist < 200.0) && (quality_level > 4))
 289                 {
 290                 noise_01m = Noise2D(rawPos.xy,0.1);
 291                 NdotL = NdotL + 0.8 * (noise_01m-0.5) *   (1.0 - smoothstep(50.0, 100.0, dist)) * (1.0 - water_factor);
 292                 }
 293
 294     if (NdotL > 0.0) {
 295         color += diffuse_term * NdotL;
 296
 297
 298         NdotHV = max(dot(n, halfVector), 0.0);
 299
 300         if (gl_FrontMaterial.shininess > 0.0)
 301             specular.rgb = ((gl_FrontMaterial.specular.rgb + (water_factor * vec3 (1.0, 1.0, 1.0)))
 302                             * light_specular.rgb
 303                             * pow(NdotHV, (gl_FrontMaterial.shininess + 20.0 * water_factor)));
 304     }
 305     color.a = diffuse_term.a;
 306     // This shouldn't be necessary, but our lighting becomes very
 307     // saturated. Clamping the color before modulating by the texture
 308     // is closer to what the OpenGL fixed function pipeline does.
 309     color = clamp(color, 0.0, 1.0);
 310
 311
 312
 313
 314     fragColor = color * texel + specular;
 315
 316 // here comes the terrain haze model
 317
 318
 319 float delta_z = hazeLayerAltitude - eye_alt;
 320
 321 if (dist > max(40.0, 0.04 * min(visibility,avisibility)))
 322 {
 323
 324 alt = eye_alt;
 325
 326
 327 float transmission;
 328 float vAltitude;
 329 float delta_zv;
 330 float H;
 331 float distance_in_layer;
 332 float transmission_arg;
 333
 334
 335
 336
 337 // we solve the geometry what part of the light path is attenuated normally and what is through the haze layer
 338
 339 if (delta_z > 0.0) // we're inside the layer
 340         {
 341         if (ct < 0.0) // we look down
 342                 {
 343                 distance_in_layer = dist;
 344                 vAltitude = min(distance_in_layer,min(visibility, avisibility)) * ct;
 345                 delta_zv = delta_z - vAltitude;
 346                 }
 347         else    // we may look through upper layer edge
 348                 {
 349                 H = dist * ct;
 350                 if (H > delta_z) {distance_in_layer = dist/H * delta_z;}
 351                 else {distance_in_layer = dist;}
 352                 vAltitude = min(distance_in_layer,visibility) * ct;
 353                 delta_zv = delta_z - vAltitude;
 354                 }
 355         }
 356   else // we see the layer from above, delta_z < 0.0
 357         {
 358         H = dist * -ct;
 359         if (H  < (-delta_z)) // we don't see into the layer at all, aloft visibility is the only fading
 360                 {
 361                 distance_in_layer = 0.0;
 362                 delta_zv = 0.0;
 363                 }
 364         else
 365                 {
 366                 vAltitude = H + delta_z;
 367                 distance_in_layer = vAltitude/H * dist;
 368                 vAltitude = min(distance_in_layer,visibility) * (-ct);
 369                 delta_zv = vAltitude;
 370                 }
 371         }
 372
 373
 374 // ground haze cannot be thinner than aloft visibility in the model,
 375 // so we need to use aloft visibility otherwise
 376
 377
 378 transmission_arg = (dist-distance_in_layer)/avisibility;
 379
 380
 381 float eqColorFactor;
 382
 383
 384
 385 if (visibility < avisibility)
 386         {
 387         if (quality_level > 3)
 388                 {
 389                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/(1.0 * visibility + 1.0 * visibility * fogstructure * 0.06 * (noise_1500m + noise_2000m -1.0) ));
 390
 391                 }
 392         else
 393                 {
 394                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/visibility);
 395                 }
 396         // this combines the Weber-Fechner intensity
 397         eqColorFactor = 1.0 - 0.1 * delta_zv/visibility - (1.0 - effective_scattering);
 398
 399         }
 400 else
 401         {
 402         if (quality_level > 3)
 403                 {
 404                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/(1.0 * avisibility + 1.0 * avisibility * fogstructure * 0.06 * (noise_1500m + noise_2000m  - 1.0) ));
 405                 }
 406         else
 407                 {
 408                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/avisibility);
 409                 }
 410         // this combines the Weber-Fechner intensity
 411         eqColorFactor = 1.0 - 0.1 * delta_zv/avisibility - (1.0 - effective_scattering);
 412         }
 413
 414
 415
 416 transmission =  fog_func(transmission_arg);
 417
 418 // there's always residual intensity, we should never be driven to zero
 419 if (eqColorFactor < 0.2) eqColorFactor = 0.2;
 420
 421
 422 float lightArg = (terminator-yprime_alt)/100000.0;
 423
 424 vec3 hazeColor;
 425
 426 hazeColor.b = light_func(lightArg, 1.330e-05, 0.264, 2.527, 1.08e-05, 1.0);
 427 hazeColor.g = light_func(lightArg, 3.931e-06, 0.264, 3.827, 7.93e-06, 1.0);
 428 hazeColor.r = light_func(lightArg, 8.305e-06, 0.161, 3.827, 3.04e-05, 1.0);
 429
 430
 431 // now dim the light for haze
 432 eShade = 0.9 * smoothstep(terminator_width+ terminator, -terminator_width + terminator, yprime_alt) + 0.1;
 433
 434 // Mie-like factor
 435
 436 if (lightArg < 10.0)
 437         {intensity = length(hazeColor);
 438         float mie_magnitude = 0.5 * smoothstep(350000.0, 150000.0, terminator-sqrt(2.0 * EarthRadius * terrain_alt));
 439         hazeColor = intensity * ((1.0 - mie_magnitude) + mie_magnitude * mie_angle) * normalize(mix(hazeColor,  vec3 (0.5, 0.58, 0.65), mie_magnitude * (0.5 - 0.5 * mie_angle)) );
 440         }
 441
 442 // high altitude desaturation of the haze color
 443
 444 intensity = length(hazeColor);
 445 hazeColor = intensity * normalize (mix(hazeColor, intensity * vec3 (1.0,1.0,1.0), 0.7* smoothstep(5000.0, 50000.0, alt)));
 446
 447 // blue hue of haze
 448
 449 hazeColor.x = hazeColor.x * 0.83;
 450 hazeColor.y = hazeColor.y * 0.9;
 451
 452
 453 // additional blue in indirect light
 454 float fade_out = max(0.65 - 0.3 *overcast, 0.45);
 455 intensity = length(hazeColor);
 456 hazeColor = intensity * normalize(mix(hazeColor,  1.5* shadedFogColor, 1.0 -smoothstep(0.25, fade_out,eShade) ));
 457
 458 // change haze color to blue hue for strong fogging
 459 hazeColor = intensity * normalize(mix(hazeColor,  shadedFogColor, (1.0-smoothstep(0.5,0.9,eqColorFactor))));
 460
 461
 462 // reduce haze intensity when looking at shaded surfaces, only in terminator region
 463
 464 float shadow = mix( min(1.0 + dot(n,lightDir),1.0), 1.0, 1.0-smoothstep(0.1, 0.4, transmission));
 465 hazeColor = mix(shadow * hazeColor, hazeColor, 0.3 + 0.7* smoothstep(250000.0, 400000.0, terminator));
 466
 467
 468
 469
 470 fragColor.xyz = mix(eqColorFactor * hazeColor * eShade, fragColor.xyz,transmission);
 471
 472
 473 gl_FragColor = fragColor;
 474
 475
 476 }
 477 else // if dist < threshold no fogging at all
 478 {
 479 gl_FragColor = fragColor;
 480 }
 481
 482
 483
 484 }
 485