'The Flag' for Atmospheric Light Scattering
[fg:toms-fgdata.git] / Shaders / flutter-lightfield.vert
1 // -*-C++-*-
2 //  © Vivian Meazza - 2011
3 // adapted to Atmospheric Light Scattering by Thorsten Renk 2013
4
5 // Shader that uses OpenGL state values to do per-pixel lighting
6 //
7 // The only light used is gl_LightSource[0], which is assumed to be
8 // directional.
9 //
10 // Diffuse colors come from the gl_Color, ambient from the material. This is
11 // equivalent to osg::Material::DIFFUSE.
12
13 #version 120
14 #define fps2kts 0.5925
15
16 #define MODE_OFF 0
17 #define MODE_DIFFUSE 1
18 #define MODE_AMBIENT_AND_DIFFUSE 2
19
20 // The ambient term of the lighting equation that doesn't depend on
21 // the surface normal is passed in gl_{Front,Back}Color. The alpha
22 // component is set to 1 for front, 0 for back in order to work around
23 // bugs with gl_FrontFacing in the fragment shader.
24 varying vec4 diffuse_term;
25 varying vec3 normal;
26 varying vec3 relPos;
27
28 varying float yprime_alt;
29 varying float mie_angle;
30
31
32 uniform int colorMode;
33 uniform float osg_SimulationTime;
34 uniform float Offset, AmpFactor, WindE, WindN, spd, hdg;
35 uniform sampler3D Noise;
36 uniform float hazeLayerAltitude;
37 uniform float terminator;
38 uniform float terrain_alt; 
39 uniform float avisibility;
40 uniform float visibility;
41 uniform float overcast;
42 uniform float ground_scattering;
43 uniform float moonlight;
44
45 // This is the value used in the skydome scattering shader - use the same here for consistency?
46 const float EarthRadius = 5800000.0;
47 const float terminator_width = 200000.0;
48
49 float earthShade;
50
51 float light_func (in float x, in float a, in float b, in float c, in float d, in float e)
52 {
53 //x = x - 0.5;
54
55 // use the asymptotics to shorten computations
56 if (x < -15.0) {return 0.0;}
57
58 return e / pow((1.0 + a * exp(-b * (x-c)) ),(1.0/d));
59 }
60
61 float normalize_range(float _val)
62     {
63     if (_val > 180.0)
64         return _val - 360.0;
65     else
66         return _val;
67     }
68
69 void relWind(out float rel_wind_speed_kts, out float rel_wind_from_rad)
70     {
71     //calculate speed north and east in kts
72     float speed_north_kts = cos(radians(hdg)) * spd ;
73     float speed_east_kts  = sin(radians(hdg)) * spd ;
74
75     //calculate the relative wind speed north and east in kts
76     float rel_wind_speed_from_east_kts = WindE*fps2kts + speed_east_kts;
77     float rel_wind_speed_from_north_kts = WindN*fps2kts + speed_north_kts;
78
79     //combine relative speeds north and east to get relative windspeed in kts
80     rel_wind_speed_kts = sqrt(pow(abs(rel_wind_speed_from_east_kts), 2.0)
81         + pow(abs(rel_wind_speed_from_north_kts), 2.0));
82
83     //calculate the relative wind direction
84     float rel_wind_from_deg = degrees(atan(rel_wind_speed_from_east_kts, rel_wind_speed_from_north_kts));
85     //rel_wind_from_rad = atan(rel_wind_speed_from_east_kts, rel_wind_speed_from_north_kts);
86     float rel_wind = rel_wind_from_deg - hdg;
87     rel_wind = normalize_range(rel_wind);
88     rel_wind_from_rad = radians(rel_wind);
89     }
90
91 void rotationmatrix(in float angle, out mat4 rotmat)
92     {
93     rotmat = mat4( cos( angle ), -sin( angle ), 0.0, 0.0,
94         sin( angle ),  cos( angle ), 0.0, 0.0,
95         0.0         ,  0.0         , 1.0, 0.0,
96         0.0         ,  0.0         , 0.0, 1.0 );
97     }
98
99 void main()
100     {
101         vec4 light_diffuse;
102     vec4 light_ambient;
103     vec3 shadedFogColor = vec3(0.65, 0.67, 0.78);
104     vec3 moonLightColor = vec3 (0.095, 0.095, 0.15) * moonlight;
105
106
107     float yprime;
108     float lightArg;
109     float intensity;
110     float vertex_alt;
111     float scattering;
112         
113         
114         
115     mat4 RotationMatrix;
116
117     float relWindspd=0.0;
118     float relWinddir=0.0;
119
120     // compute relative wind speed and direction
121     relWind (relWindspd, relWinddir);
122
123     // map noise vector
124     vec4 noisevec = texture3D(Noise, gl_Vertex.xyz);
125
126     //waving effect
127     float tsec = osg_SimulationTime;
128     vec4 pos = gl_Vertex;
129     vec4 oldpos = gl_Vertex;
130
131     float freq = (10.0 * relWindspd) + 10.0;
132     pos.y = sin((pos.x * 5.0 + tsec * freq )/5.0) * 0.5 ;
133     pos.y += sin((pos.z * 5.0 + tsec * freq/2.0)/5.0) * 0.125 ;
134
135     pos.y *= pow(pos.x - Offset, 2.0) * AmpFactor;
136
137     //rotate the flag to align with relative wind
138     rotationmatrix(-relWinddir, RotationMatrix);
139     pos *= RotationMatrix;
140     gl_Position = gl_ModelViewProjectionMatrix * pos;
141
142     //do the colour and fog
143     vec4 ecPosition = gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex;
144
145
146     gl_TexCoord[0] = gl_TextureMatrix[0] * gl_MultiTexCoord0;
147     normal = gl_NormalMatrix * gl_Normal;
148     vec4 ambient_color, diffuse_color;
149
150     if (colorMode == MODE_DIFFUSE) {
151         diffuse_color = gl_Color;
152         ambient_color = gl_FrontMaterial.ambient;
153         } else if (colorMode == MODE_AMBIENT_AND_DIFFUSE) {
154             diffuse_color = gl_Color;
155             ambient_color = gl_Color;
156         } else {
157             diffuse_color = gl_FrontMaterial.diffuse;
158             ambient_color = gl_FrontMaterial.ambient;
159             }
160
161                         
162         // first current altitude of eye position in model space
163     vec4 ep = gl_ModelViewMatrixInverse * vec4(0.0,0.0,0.0,1.0);
164     
165     // and relative position to vector
166     relPos = gl_Vertex.xyz - ep.xyz;
167
168     // unfortunately, we need the distance in the vertex shader, although the more accurate version
169     // is later computed in the fragment shader again
170     float dist = length(relPos);
171
172     // altitude of the vertex in question, somehow zero leads to artefacts, so ensure it is at least 100m
173     vertex_alt = max(gl_Vertex.z,100.0);
174     scattering = ground_scattering + (1.0 - ground_scattering) * smoothstep(hazeLayerAltitude -100.0, hazeLayerAltitude + 100.0, vertex_alt); 
175
176
177     // branch dependent on daytime
178
179 if (terminator < 1000000.0) // the full, sunrise and sunset computation
180 {
181     
182
183     // establish coordinates relative to sun position
184
185     vec3 lightFull = (gl_ModelViewMatrixInverse * gl_LightSource[0].position).xyz;
186     vec3 lightHorizon = normalize(vec3(lightFull.x,lightFull.y, 0.0));
187   
188
189     
190     // yprime is the distance of the vertex into sun direction
191     yprime = -dot(relPos, lightHorizon);
192
193     // this gets an altitude correction, higher terrain gets to see the sun earlier
194     yprime_alt = yprime - sqrt(2.0 * EarthRadius * vertex_alt);
195
196     // two times terminator width governs how quickly light fades into shadow
197     // now the light-dimming factor
198     earthShade = 0.6 * (1.0 - smoothstep(-terminator_width+ terminator, terminator_width + terminator, yprime_alt)) + 0.4;
199   
200    // parametrized version of the Flightgear ground lighting function
201     lightArg = (terminator-yprime_alt)/100000.0;
202
203     // directional scattering for low sun
204     if (lightArg < 10.0)
205         {mie_angle = (0.5 *  dot(normalize(relPos), normalize(lightFull)) ) + 0.5;}
206     else 
207         {mie_angle = 1.0;}
208
209
210
211
212    light_diffuse.b = light_func(lightArg, 1.330e-05, 0.264, 3.827, 1.08e-05, 1.0);
213    light_diffuse.g = light_func(lightArg, 3.931e-06, 0.264, 3.827, 7.93e-06, 1.0);
214    light_diffuse.r = light_func(lightArg, 8.305e-06, 0.161, 3.827, 3.04e-05, 1.0);
215    light_diffuse.a = 1.0;
216    light_diffuse = light_diffuse * scattering;
217
218
219    light_ambient.r = light_func(lightArg, 0.236, 0.253, 1.073, 0.572, 0.33);
220    light_ambient.g = light_ambient.r * 0.4/0.33; 
221    light_ambient.b = light_ambient.r * 0.5/0.33; 
222    light_ambient.a = 1.0;
223
224
225
226
227 // correct ambient light intensity and hue before sunrise
228 if (earthShade < 0.5)
229         {
230         //light_ambient = light_ambient * (0.7 + 0.3 * smoothstep(0.2, 0.5, earthShade));
231         intensity = length(light_ambient.xyz); 
232
233         light_ambient.rgb = intensity * normalize(mix(light_ambient.rgb,  shadedFogColor, 1.0 -smoothstep(0.1, 0.8,earthShade) ));
234         light_ambient.rgb = light_ambient.rgb +   moonLightColor *  (1.0 - smoothstep(0.4, 0.5, earthShade));
235
236         intensity = length(light_diffuse.xyz); 
237         light_diffuse.rgb = intensity * normalize(mix(light_diffuse.rgb,  shadedFogColor, 1.0 -smoothstep(0.1, 0.7,earthShade) ));
238         }
239
240
241 // the haze gets the light at the altitude of the haze top if the vertex in view is below
242 // but the light at the vertex if the vertex is above
243
244 vertex_alt = max(vertex_alt,hazeLayerAltitude);
245
246 if (vertex_alt > hazeLayerAltitude)
247         {
248         if (dist > 0.8 * avisibility)
249                 {
250                 vertex_alt = mix(vertex_alt, hazeLayerAltitude, smoothstep(0.8*avisibility, avisibility, dist));
251                 yprime_alt = yprime -sqrt(2.0 * EarthRadius * vertex_alt);
252                 }
253         }
254 else
255         {
256         vertex_alt = hazeLayerAltitude;
257         yprime_alt = yprime -sqrt(2.0 * EarthRadius * vertex_alt);
258         }
259
260 }
261 else // the faster, full-day version without lightfields
262 {
263     //vertex_alt = max(gl_Vertex.z,100.0);
264  
265     earthShade = 1.0;
266     mie_angle = 1.0;
267     
268     if (terminator > 3000000.0)
269         {light_diffuse = vec4 (1.0, 1.0, 1.0, 0.0);
270         light_ambient = vec4 (0.33, 0.4, 0.5, 0.0); }
271     else
272         {
273
274         lightArg = (terminator/100000.0 - 10.0)/20.0;
275         light_diffuse.b = 0.78  + lightArg * 0.21;
276         light_diffuse.g = 0.907 + lightArg * 0.091;
277         light_diffuse.r = 0.904 + lightArg * 0.092;
278         light_diffuse.a = 1.0;
279
280         light_ambient.r = 0.316 + lightArg * 0.016;
281         light_ambient.g = light_ambient.r * 0.4/0.33; 
282         light_ambient.b = light_ambient.r * 0.5/0.33;
283         light_ambient.a = 1.0;
284         }  
285     
286     light_diffuse = light_diffuse * scattering;
287     yprime_alt = -sqrt(2.0 * EarthRadius * hazeLayerAltitude);
288 }
289
290         
291                         
292                         
293                         
294         diffuse_term = diffuse_color * light_diffuse;
295         vec4 ambient_term = ambient_color * light_ambient;
296
297         // Super hack: if diffuse material alpha is less than 1, assume a
298         // transparency animation is at work
299         if (gl_FrontMaterial.diffuse.a < 1.0)
300             diffuse_term.a = gl_FrontMaterial.diffuse.a;
301         else
302             diffuse_term.a = gl_Color.a;
303
304         // Another hack for supporting two-sided lighting without using
305         // gl_FrontFacing in the fragment shader.
306         gl_FrontColor.rgb = ambient_term.rgb;  gl_FrontColor.a = 0.0;
307         gl_BackColor.rgb = ambient_term.rgb; gl_FrontColor.a = 1.0;
308 //        fogCoord = abs(ecPosition.z / ecPosition.w);
309
310         //fog_Func(fogType);
311
312     }