Shaders/runway-lightfield.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 //varying vec3 ecViewdir;
  11
  12
  13 uniform sampler2D texture;
  14 uniform sampler2D NormalTex;
  15 //uniform sampler3D NoiseTex;
  16 uniform sampler2D snow_texture;
  17 uniform sampler2D detail_texture;
  18 uniform sampler2D mix_texture;
  19
  20 //varying float yprime_alt;
  21 //varying float mie_angle;
  22 varying float steepness;
  23 \r
  24
  25 uniform float visibility;
  26 uniform float avisibility;
  27 uniform float scattering;
  28 uniform float terminator;
  29 uniform float terrain_alt;
  30 uniform float hazeLayerAltitude;
  31 uniform float overcast;
  32 uniform float eye_alt;
  33 uniform float snowlevel;
  34 uniform float dust_cover_factor;
  35 uniform float lichen_cover_factor;
  36 uniform float wetness;
  37 uniform float fogstructure;
  38 uniform float snow_thickness_factor;
  39 uniform float cloud_self_shading;
  40 uniform float ylimit;
  41 uniform float zlimit1;
  42 uniform float zlimit2;
  43 uniform float xslope;
  44 uniform int quality_level;
  45 uniform int tquality_level;
  46
  47 const float EarthRadius = 5800000.0;
  48 const float terminator_width = 200000.0;
  49
  50 float alt;
  51 float eShade;
  52 float yprime_alt;
  53 float mie_angle;
  54
  55
  56
  57 float rand2D(in vec2 co){
  58     return fract(sin(dot(co.xy ,vec2(12.9898,78.233))) * 43758.5453);
  59 }
  60
  61 float cosine_interpolate(in float a, in float b, in float x)
  62 {
  63         float ft = x * 3.1415927;
  64         float f = (1.0 - cos(ft)) * .5;
  65
  66         return  a*(1.0-f) + b*f;
  67 }
  68
  69 float simple_interpolate(in float a, in float b, in float x)
  70 {
  71 return a + smoothstep(0.0,1.0,x) * (b-a);
  72 //return mix(a,b,x);
  73 }
  74
  75 float interpolatedNoise2D(in float x, in float y)
  76 {
  77       float integer_x    = x - fract(x);
  78       float fractional_x = x - integer_x;
  79
  80       float integer_y    = y - fract(y);
  81       float fractional_y = y - integer_y;
  82
  83       float v1 = rand2D(vec2(integer_x, integer_y));
  84       float v2 = rand2D(vec2(integer_x+1.0, integer_y));
  85       float v3 = rand2D(vec2(integer_x, integer_y+1.0));
  86       float v4 = rand2D(vec2(integer_x+1.0, integer_y +1.0));
  87
  88       float i1 = simple_interpolate(v1 , v2 , fractional_x);
  89       float i2 = simple_interpolate(v3 , v4 , fractional_x);
  90
  91       return simple_interpolate(i1 , i2 , fractional_y);
  92 }
  93
  94
  95 float Noise2D(in vec2 coord, in float wavelength)
  96 {
  97 return interpolatedNoise2D(coord.x/wavelength, coord.y/wavelength);
  98
  99 }
 100
 101
 102
 103 float light_func (in float x, in float a, in float b, in float c, in float d, in float e)
 104 {
 105 x = x - 0.5;
 106
 107 // use the asymptotics to shorten computations
 108 if (x > 30.0) {return e;}
 109 if (x < -15.0) {return 0.0;}
 110
 111 return e / pow((1.0 + a * exp(-b * (x-c)) ),(1.0/d));
 112 }
 113
 114 // this determines how light is attenuated in the distance
 115 // physically this should be exp(-arg) but for technical reasons we use a sharper cutoff
 116 // for distance > visibility
 117
 118 float fog_func (in float targ)
 119 {
 120
 121
 122 float fade_mix;
 123
 124 // for large altitude > 30 km, we switch to some component of quadratic distance fading to
 125 // create the illusion of improved visibility range
 126
 127 targ = 1.25 * targ * smoothstep(0.04,0.06,targ); // need to sync with the distance to which terrain is drawn
 128
 129
 130 if (alt < 30000.0)
 131         {return exp(-targ - targ * targ * targ * targ);}
 132 else if (alt < 50000.0)
 133         {
 134         fade_mix = (alt - 30000.0)/20000.0;
 135         return fade_mix * exp(-targ*targ - pow(targ,4.0)) + (1.0 - fade_mix) * exp(-targ - pow(targ,4.0));
 136         }
 137 else
 138         {
 139         return exp(- targ * targ - pow(targ,4.0));
 140         }
 141
 142 }
 143
 144 void main()
 145 {
 146
 147 // drop fragments behind the mask of the instrument panel as passed by properties
 148
 149
 150 int xoffset = int(xslope * (ylimit - gl_FragCoord.y));
 151
 152
 153 if ((gl_FragCoord.y < ylimit) && (gl_FragCoord.x > zlimit1 - xoffset) && (gl_FragCoord.x < zlimit2 + xoffset))
 154         {discard;}
 155
 156
 157 yprime_alt = diffuse_term.a;
 158 diffuse_term.a = 1.0;
 159 mie_angle = gl_Color.a;
 160 float effective_scattering = min(scattering, cloud_self_shading);
 161
 162 // distance to fragment
 163 float dist = length(relPos);
 164 // angle of view vector with horizon
 165 float ct = dot(vec3(0.0, 0.0, 1.0), relPos)/dist;
 166
 167
 168   vec3 shadedFogColor = vec3(0.65, 0.67, 0.78);
 169 // this is taken from default.frag
 170     vec3 n;
 171     float NdotL, NdotHV, fogFactor;
 172     vec4 color = gl_Color;
 173     color.a = 1.0;
 174     vec3 lightDir = gl_LightSource[0].position.xyz;
 175     vec3 halfVector = gl_LightSource[0].halfVector.xyz;
 176     //vec3 halfVector = normalize(normalize(lightDir) + normalize(ecViewdir));
 177     vec4 texel;
 178     vec4 snow_texel;
 179     vec4 detail_texel;
 180     vec4 mix_texel;
 181     vec4 fragColor;
 182     vec4 specular = vec4(0.0);
 183     float intensity;
 184
 185
 186 // get noise at different wavelengths
 187
 188 // used:        5m, 5m gradient, 10m, 10m gradient: heightmap of the closeup terrain, 10m also snow
 189 //              50m: detail texel
 190 //              250m: detail texel
 191 //              500m: distortion and overlay
 192 //              1500m: overlay, detail, dust, fog
 193 //              2000m: overlay, detail, snow, fog
 194
 195 float noise_01m;
 196 float noise_1m = Noise2D(rawPos.xy, 1.0);
 197 float noise_10m;
 198 float noise_5m;
 199 noise_10m = Noise2D(rawPos.xy, 10.0);
 200 noise_5m = Noise2D(rawPos.xy ,5.0);
 201
 202 float noisegrad_10m;
 203 float noisegrad_5m;
 204
 205 float noise_50m = Noise2D(rawPos.xy, 50.0);;
 206 float noise_250m;
 207 float noise_500m = Noise2D(rawPos.xy, 500.0);
 208 float noise_1500m = Noise2D(rawPos.xy, 1500.0);
 209 float noise_2000m = Noise2D(rawPos.xy, 2000.0);
 210
 211
 212
 213
 214
 215 //
 216
 217
 218 // get the texels
 219
 220     texel = texture2D(texture, gl_TexCoord[0].st);
 221         vec4 nmap  = texture2D(NormalTex, gl_TexCoord[0].st * 8.0);
 222         vec3 N = nmap.rgb * 2.0 - 1.0;
 223
 224     float distortion_factor = 1.0;
 225     vec2 stprime;
 226     int flag = 1;
 227     int mix_flag = 1;
 228     float noise_term;
 229     float snow_alpha;
 230
 231
 232
 233
 234     //float view_angle = abs(dot(normal, normalize(ecViewdir)));
 235
 236     if ((quality_level > 3)&&(relPos.z + eye_alt +500.0 > snowlevel))
 237         {
 238         float sfactor;
 239         noise_01m = Noise2D(rawPos.xy,0.1);
 240         snow_texel = vec4 (0.95, 0.95, 0.95, 1.0) * (0.9 + 0.1* noise_50m + 0.1* (1.0 - noise_10m) );
 241         snow_texel.a = 1.0;
 242         noise_term = 0.1 * (noise_50m-0.5);
 243         sfactor = 1.0;//sqrt(2.0 * (1.0-steepness)/0.03) + abs(ct)/0.15;
 244         noise_term = noise_term + 0.2 * (noise_10m -0.5) * (1.0 - smoothstep(10000.0*sfactor, 16000.0*sfactor, dist)  ) ;
 245         noise_term = noise_term + 0.3 * (noise_5m -0.5) * (1.0 - smoothstep(1200.0 * sfactor, 2000.0 * sfactor, dist)  ) ;
 246         noise_term = noise_term + 0.3 * (noise_1m -0.5) * (1.0 - smoothstep(500.0 * sfactor, 1000.0 *sfactor, dist)  );
 247         noise_term = noise_term + 0.3 * (noise_01m -0.5) * (1.0 - smoothstep(20.0 * sfactor, 100.0 *sfactor, dist)  );
 248         snow_texel.a = snow_texel.a * 0.2+0.8* smoothstep(0.2,0.8, 0.3 +noise_term + 0.2*snow_thickness_factor +0.0001*(relPos.z +eye_alt -snowlevel) );
 249
 250         }
 251
 252     if (tquality_level > 2)
 253         {
 254         mix_texel = texture2D(mix_texture, gl_TexCoord[0].st * 1.3);
 255         if (mix_texel.a <0.1) {mix_flag = 0;}
 256         }
 257
 258
 259     if (tquality_level > 3)
 260         {
 261         stprime = vec2 (0.86*gl_TexCoord[0].s + 0.5*gl_TexCoord[0].t, 0.5*gl_TexCoord[0].s - 0.86*gl_TexCoord[0].t);
 262         //distortion_factor = 0.9375 + (1.0 * nvL[2]);
 263         distortion_factor = 0.97 + 0.06 * noise_500m;
 264         stprime = stprime * distortion_factor * 15.0;
 265         if (quality_level > 4)
 266                 {
 267                 stprime = stprime + normalize(relPos).xy * 0.02 * (noise_10m + 0.5 * noise_5m - 0.75);
 268                 }
 269         detail_texel = texture2D(detail_texture, stprime);
 270         if (detail_texel.a <0.1) {flag = 0;}
 271         }
 272
 273
 274 // texture preparation according to detail level
 275
 276 // mix in hires texture patches
 277
 278 float dist_fact;
 279 float nSum;
 280 float mix_factor;
 281
 282 if (tquality_level > 2)
 283    {
 284    // first the second texture overlay
 285
 286
 287    if (mix_flag == 1)
 288         {
 289         nSum =  0.18 * (2.0 * noise_2000m + 2.0 * noise_1500m + noise_500m);
 290         nSum = nSum + 0.4 * (1.0 -smoothstep(0.9,0.95, abs(steepness)));
 291         mix_factor = smoothstep(0.5, 0.54, nSum);
 292         texel = mix(texel, mix_texel, mix_factor);
 293
 294         }
 295
 296    // then the detail texture overlay
 297   }
 298
 299 if (tquality_level > 3)
 300      {
 301    if (dist < 40000.0)
 302         {
 303         if (flag == 1)
 304                 {
 305                 //noise_50m = Noise2D(rawPos.xy, 50.0);
 306                 noise_250m  = Noise2D(rawPos.xy, 250.0);
 307                 dist_fact =  0.1 * smoothstep(15000.0,40000.0, dist) - 0.03 * (1.0 - smoothstep(500.0,5000.0, dist));
 308                 nSum = ((1.0 -noise_2000m) + noise_1500m + 2.0 * noise_250m  +noise_50m)/5.0;
 309                 nSum = nSum - 0.08 * (1.0 -smoothstep(0.9,0.95, abs(steepness)));
 310                 mix_factor = smoothstep(0.47, 0.54, nSum - dist_fact);
 311                 if (mix_factor > 0.8) {mix_factor = 0.8;}
 312                 texel =  mix(texel, detail_texel,mix_factor);
 313                 }
 314         }
 315    }
 316
 317
 318 const vec4 dust_color  = vec4 (0.76, 0.71, 0.56, 1.0);
 319 const vec4 lichen_color = vec4 (0.17, 0.20, 0.06, 1.0);;
 320 //float snow_alpha;
 321
 322 if (quality_level > 3)
 323         {
 324
 325         // mix vegetation
 326         texel = mix(texel, lichen_color, 0.4 * lichen_cover_factor + 0.8 * lichen_cover_factor * 0.5 * (noise_10m + (1.0 - noise_5m))  );
 327         // mix dust
 328         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) );
 329
 330         // mix snow
 331         if (relPos.z + eye_alt +500.0 > snowlevel)
 332                 {
 333                 snow_alpha = smoothstep(0.75, 0.85, abs(steepness));
 334                 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));
 335                 }
 336         }
 337
 338
 339
 340 // get distribution of water when terrain is wet
 341
 342 float water_threshold1;
 343 float water_threshold2;
 344 float water_factor =0.0;
 345
 346
 347 if ((dist < 5000.0)&& (quality_level > 3) && (wetness>0.0))
 348                 {
 349                 water_threshold1 = 1.0-0.5* wetness;
 350                 water_threshold2 = 1.0 - 0.3 * wetness;
 351                 water_factor = smoothstep(water_threshold1, water_threshold2 ,   (0.3 * (2.0 * (1.0-noise_10m) + (1.0 -noise_5m)) *   (1.0 - smoothstep(2000.0, 5000.0, dist))) - 5.0 * (1.0 -steepness));
 352         }
 353
 354 // darken wet terrain
 355
 356     texel.rgb = texel.rgb * (1.0 - 0.6 * wetness);
 357
 358
 359 // light computations
 360
 361
 362     vec4 light_specular = gl_LightSource[0].specular;
 363
 364     // If gl_Color.a == 0, this is a back-facing polygon and the
 365     // normal should be reversed.
 366     //n = (2.0 * gl_Color.a - 1.0) * normal;
 367     n = normal;//vec3 (nvec.x, nvec.y, sqrt(1.0 -pow(nvec.x,2.0) - pow(nvec.y,2.0) ));
 368     n = normalize(n);
 369
 370     NdotL = dot(n, lightDir);
 371     if ((tquality_level > 3) && (mix_flag ==1)&& (dist < 2000.0) && (quality_level > 4))
 372         {
 373         noisegrad_10m = (noise_10m - Noise2D(rawPos.xy+ 0.05 * normalize(lightDir.xy),10.0))/0.05;
 374         noisegrad_5m = (noise_5m - Noise2D(rawPos.xy+ 0.05 * normalize(lightDir.xy),5.0))/0.05;
 375         NdotL = NdotL +1.0 * (noisegrad_10m + 0.5* noisegrad_5m) * mix_factor/0.8 *  (1.0 - smoothstep(1000.0, 2000.0, dist));
 376         }
 377         if (quality_level > 4)
 378                 {
 379                 NdotL = NdotL + 3.0 * N + 0.1 * (noise_01m-0.5) ;
 380                 }
 381     if (NdotL > 0.0) {
 382         color += diffuse_term * NdotL;
 383         NdotHV = max(dot(n, halfVector), 0.0);
 384         if (gl_FrontMaterial.shininess > 0.0)
 385             specular.rgb = ((gl_FrontMaterial.specular.rgb + (water_factor * vec3 (1.0, 1.0, 1.0)))
 386                             * light_specular.rgb
 387                             * pow(NdotHV, gl_FrontMaterial.shininess + (20.0 * water_factor)));
 388     }
 389     color.a = diffuse_term.a;
 390     // This shouldn't be necessary, but our lighting becomes very
 391     // saturated. Clamping the color before modulating by the texture
 392     // is closer to what the OpenGL fixed function pipeline does.
 393     color = clamp(color, 0.0, 1.0);
 394
 395
 396
 397
 398     fragColor = color * texel + specular;
 399
 400 // here comes the terrain haze model
 401
 402
 403 float delta_z = hazeLayerAltitude - eye_alt;
 404
 405 if (dist > max(40.0, 0.04 * min(visibility,avisibility)))
 406 //if ((gl_FragCoord.y > ylimit) || (gl_FragCoord.x < zlimit1) || (gl_FragCoord.x > zlimit2))
 407 //if (dist > 40.0)
 408 {
 409
 410 alt = eye_alt;
 411
 412
 413 float transmission;
 414 float vAltitude;
 415 float delta_zv;
 416 float H;
 417 float distance_in_layer;
 418 float transmission_arg;
 419
 420
 421
 422
 423 // we solve the geometry what part of the light path is attenuated normally and what is through the haze layer
 424
 425 if (delta_z > 0.0) // we're inside the layer
 426         {
 427         if (ct < 0.0) // we look down
 428                 {
 429                 distance_in_layer = dist;
 430                 vAltitude = min(distance_in_layer,min(visibility, avisibility)) * ct;
 431                 delta_zv = delta_z - vAltitude;
 432                 }
 433         else    // we may look through upper layer edge
 434                 {
 435                 H = dist * ct;
 436                 if (H > delta_z) {distance_in_layer = dist/H * delta_z;}
 437                 else {distance_in_layer = dist;}
 438                 vAltitude = min(distance_in_layer,visibility) * ct;
 439                 delta_zv = delta_z - vAltitude;
 440                 }
 441         }
 442   else // we see the layer from above, delta_z < 0.0
 443         {
 444         H = dist * -ct;
 445         if (H  < (-delta_z)) // we don't see into the layer at all, aloft visibility is the only fading
 446                 {
 447                 distance_in_layer = 0.0;
 448                 delta_zv = 0.0;
 449                 }
 450         else
 451                 {
 452                 vAltitude = H + delta_z;
 453                 distance_in_layer = vAltitude/H * dist;
 454                 vAltitude = min(distance_in_layer,visibility) * (-ct);
 455                 delta_zv = vAltitude;
 456                 }
 457         }
 458
 459
 460 // ground haze cannot be thinner than aloft visibility in the model,
 461 // so we need to use aloft visibility otherwise
 462
 463
 464 transmission_arg = (dist-distance_in_layer)/avisibility;
 465
 466
 467 float eqColorFactor;
 468
 469
 470
 471 if (visibility < avisibility)
 472         {
 473         if (quality_level > 3)
 474                 {
 475                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/(1.0 * visibility + 1.0 * visibility * fogstructure * 0.06 * (noise_1500m + noise_2000m -1.0) ));
 476
 477                 }
 478         else
 479                 {
 480                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/visibility);
 481                 }
 482         // this combines the Weber-Fechner intensity
 483         eqColorFactor = 1.0 - 0.1 * delta_zv/visibility - (1.0 - effective_scattering);
 484
 485         }
 486 else
 487         {
 488         if (quality_level > 3)
 489                 {
 490                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/(1.0 * avisibility + 1.0 * avisibility * fogstructure * 0.06 * (noise_1500m + noise_2000m  - 1.0) ));
 491                 }
 492         else
 493                 {
 494                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/avisibility);
 495                 }
 496         // this combines the Weber-Fechner intensity
 497         eqColorFactor = 1.0 - 0.1 * delta_zv/avisibility - (1.0 - effective_scattering);
 498         }
 499
 500
 501
 502 transmission =  fog_func(transmission_arg);
 503
 504 // there's always residual intensity, we should never be driven to zero
 505 if (eqColorFactor < 0.2) eqColorFactor = 0.2;
 506
 507
 508 float lightArg = (terminator-yprime_alt)/100000.0;
 509
 510 vec3 hazeColor;
 511
 512 hazeColor.b = light_func(lightArg, 1.330e-05, 0.264, 2.527, 1.08e-05, 1.0);
 513 hazeColor.g = light_func(lightArg, 3.931e-06, 0.264, 3.827, 7.93e-06, 1.0);
 514 hazeColor.r = light_func(lightArg, 8.305e-06, 0.161, 3.827, 3.04e-05, 1.0);
 515
 516
 517 // now dim the light for haze
 518 eShade = 0.9 * smoothstep(terminator_width+ terminator, -terminator_width + terminator, yprime_alt) + 0.1;
 519
 520 // Mie-like factor
 521
 522         if (lightArg < 10.0)
 523                 {
 524                 intensity = length(hazeColor);
 525                 float mie_magnitude = 0.5 * smoothstep(350000.0, 150000.0, terminator-sqrt(2.0 * EarthRadius * terrain_alt));
 526                 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)) );
 527                 }
 528
 529 intensity = length(hazeColor);
 530
 531 if (intensity > 0.0) // this needs to be a condition, because otherwise hazeColor doesn't come out correctly
 532 {
 533
 534
 535         // high altitude desaturation of the haze color
 536         hazeColor = intensity * normalize (mix(hazeColor, intensity * vec3 (1.0,1.0,1.0), 0.7* smoothstep(5000.0, 50000.0, alt)));
 537
 538         // blue hue of haze
 539         hazeColor.x = hazeColor.x * 0.83;
 540         hazeColor.y = hazeColor.y * 0.9;
 541
 542
 543         // additional blue in indirect light
 544         float fade_out = max(0.65 - 0.3 *overcast, 0.45);
 545         intensity = length(hazeColor);
 546         hazeColor = intensity * normalize(mix(hazeColor,  1.5* shadedFogColor, 1.0 -smoothstep(0.25, fade_out,eShade) ));
 547
 548         // change haze color to blue hue for strong fogging
 549         hazeColor = intensity * normalize(mix(hazeColor,  shadedFogColor, (1.0-smoothstep(0.5,0.9,eqColorFactor))));
 550
 551
 552
 553         // reduce haze intensity when looking at shaded surfaces, only in terminator region
 554         float shadow = mix( min(1.0 + dot(n,lightDir),1.0), 1.0, 1.0-smoothstep(0.1, 0.4, transmission));
 555         hazeColor = mix(shadow * hazeColor, hazeColor, 0.3 + 0.7* smoothstep(250000.0, 400000.0, terminator));
 556         }
 557
 558
 559
 560
 561 fragColor.rgb = mix(eqColorFactor * hazeColor * eShade , fragColor.rgb,transmission);
 562
 563
 564 gl_FragColor = fragColor;
 565
 566
 567 }
 568 else // if dist < threshold no fogging at all
 569 {
 570 gl_FragColor = fragColor;
 571 }
 572
 573
 574
 575 }
 576