Improved Random building texturesa - Gabo Huerta
[fg:toms-fgdata.git] / Shaders / urban-lightfield.frag
1 // -*- mode: C; -*-
2 // Licence: GPL v2
3 // Author: Frederic Bouvier.
4 //  Adapted from the paper by F. Policarpo et al. : Real-time Relief Mapping on Arbitrary Polygonal Surfaces
5 //  Adapted from the paper and sources by M. Drobot in GPU Pro : Quadtree Displacement Mapping with Height Blending
6
7 #version 120
8
9 #extension GL_ATI_shader_texture_lod : enable
10 #extension GL_ARB_shader_texture_lod : enable
11
12 #define TEXTURE_MIP_LEVELS 10
13 #define TEXTURE_PIX_COUNT  1024 //pow(2,TEXTURE_MIP_LEVELS)
14 #define BINARY_SEARCH_COUNT 10
15 #define BILINEAR_SMOOTH_FACTOR 2.0
16
17 varying vec3  worldPos;
18 varying vec4  ecPosition;
19 varying vec3  VNormal;
20 varying vec3  VTangent;
21 //varying vec3  VBinormal;
22 //varying vec3  Normal;
23 varying vec4  constantColor;
24 varying vec3  light_diffuse;
25 varying vec3 relPos;
26
27 varying float yprime_alt;
28 varying float mie_angle;
29 //varying float steepness;
30
31 //uniform sampler3D NoiseTex;
32 uniform sampler2D BaseTex;
33 uniform sampler2D NormalTex;
34 uniform sampler2D QDMTex;
35 uniform float depth_factor;
36 uniform float tile_size;
37 uniform float quality_level;
38 uniform float visibility;
39 uniform float avisibility;
40 uniform float scattering;
41 uniform float terminator;
42 uniform float terrain_alt;
43 uniform float hazeLayerAltitude;
44 uniform float overcast;
45 uniform float eye_alt;
46 uniform float mysnowlevel;
47 uniform float dust_cover_factor;
48 uniform float wetness;
49 uniform float fogstructure;
50 uniform float cloud_self_shading;
51 uniform vec3 night_color;
52 uniform bool random_buildings;
53
54 const float scale = 1.0;
55 int linear_search_steps = 10;
56 int GlobalIterationCount = 0;
57 int gIterationCap = 64;
58
59 const float EarthRadius = 5800000.0;
60 const float terminator_width = 200000.0;
61
62 float alt;
63 float eShade;
64
65
66 float rand2D(in vec2 co){
67     return fract(sin(dot(co.xy ,vec2(12.9898,78.233))) * 43758.5453);
68 }
69
70 float rand3D(in vec3 co){
71     return fract(sin(dot(co.xyz ,vec3(12.9898,78.233,144.7272))) * 43758.5453);
72 }
73
74
75 float simple_interpolate(in float a, in float b, in float x)
76 {
77 return a + smoothstep(0.0,1.0,x) * (b-a);
78 }
79
80 float interpolatedNoise2D(in float x, in float y)
81 {
82       float integer_x    = x - fract(x);
83       float fractional_x = x - integer_x;
84
85       float integer_y    = y - fract(y);
86       float fractional_y = y - integer_y;
87
88       float v1 = rand2D(vec2(integer_x, integer_y));
89       float v2 = rand2D(vec2(integer_x+1.0, integer_y));
90       float v3 = rand2D(vec2(integer_x, integer_y+1.0));
91       float v4 = rand2D(vec2(integer_x+1.0, integer_y +1.0));
92
93       float i1 = simple_interpolate(v1 , v2 , fractional_x);
94       float i2 = simple_interpolate(v3 , v4 , fractional_x);
95
96       return simple_interpolate(i1 , i2 , fractional_y);
97 }
98
99
100 float interpolatedNoise3D(in float x, in float y, in float z)
101 {
102       float integer_x    = x - fract(x);
103       float fractional_x = x - integer_x;
104
105       float integer_y    = y - fract(y);
106       float fractional_y = y - integer_y;
107
108       float integer_z    = z - fract(z);
109       float fractional_z = z - integer_z;
110
111       float v1 = rand3D(vec3(integer_x, integer_y, integer_z));
112       float v2 = rand3D(vec3(integer_x+1.0, integer_y, integer_z));
113       float v3 = rand3D(vec3(integer_x, integer_y+1.0, integer_z));
114       float v4 = rand3D(vec3(integer_x+1.0, integer_y +1.0, integer_z));
115
116       float v5 = rand3D(vec3(integer_x, integer_y, integer_z+1.0));
117       float v6 = rand3D(vec3(integer_x+1.0, integer_y, integer_z+1.0));
118       float v7 = rand3D(vec3(integer_x, integer_y+1.0, integer_z+1.0));
119       float v8 = rand3D(vec3(integer_x+1.0, integer_y +1.0, integer_z+1.0));
120
121
122       float i1 = simple_interpolate(v1,v5, fractional_z);
123       float i2 = simple_interpolate(v2,v6, fractional_z);
124       float i3 = simple_interpolate(v3,v7, fractional_z);
125       float i4 = simple_interpolate(v4,v8, fractional_z);
126
127       float ii1 = simple_interpolate(i1,i2,fractional_x);
128       float ii2 = simple_interpolate(i3,i4,fractional_x);
129
130
131       return simple_interpolate(ii1 , ii2 , fractional_y);
132 }
133
134 float Noise2D(in vec2 coord, in float wavelength)
135 {
136 return interpolatedNoise2D(coord.x/wavelength, coord.y/wavelength);
137
138 }
139
140 float Noise3D(in vec3 coord, in float wavelength)
141 {
142 return interpolatedNoise3D(coord.x/wavelength, coord.y/wavelength, coord.z/wavelength);
143 }
144
145
146 float light_func (in float x, in float a, in float b, in float c, in float d, in float e)
147 {
148 x = x - 0.5;
149
150 // use the asymptotics to shorten computations
151 if (x > 30.0) {return e;}
152 if (x < -15.0) {return 0.0;}
153
154 return e / pow((1.0 + a * exp(-b * (x-c)) ),(1.0/d));
155 }
156
157 // this determines how light is attenuated in the distance
158 // physically this should be exp(-arg) but for technical reasons we use a sharper cutoff
159 // for distance > visibility
160
161 float fog_func (in float targ)
162 {
163
164
165 float fade_mix;
166
167 // for large altitude > 30 km, we switch to some component of quadratic distance fading to
168 // create the illusion of improved visibility range
169
170 targ = 1.25 * targ * smoothstep(0.04,0.06,targ); // need to sync with the distance to which terrain is drawn
171
172
173 if (alt < 30000.0)
174         {return exp(-targ - targ * targ * targ * targ);}
175 else if (alt < 50000.0)
176         {
177         fade_mix = (alt - 30000.0)/20000.0;
178         return fade_mix * exp(-targ*targ - pow(targ,4.0)) + (1.0 - fade_mix) * exp(-targ - pow(targ,4.0));
179         }
180 else
181         {
182         return exp(- targ * targ - pow(targ,4.0));
183         }
184
185 }
186
187
188
189
190 void QDM(inout vec3 p, inout vec3 v)
191 {
192     const int MAX_LEVEL = TEXTURE_MIP_LEVELS;
193     const float NODE_COUNT = TEXTURE_PIX_COUNT;
194     const float TEXEL_SPAN_HALF = 1.0 / NODE_COUNT / 2.0;
195
196     float fDeltaNC = TEXEL_SPAN_HALF * depth_factor;
197
198     vec3 p2 = p;
199     float level = MAX_LEVEL;
200     vec2 dirSign = (sign(v.xy) + 1.0) * 0.5;
201     GlobalIterationCount = 0;
202     float d = 0.0;
203
204     while (level >= 0.0 && GlobalIterationCount < gIterationCap)
205     {
206         vec4 uv = vec4(p2.xyz, level);
207         d = texture2DLod(QDMTex, uv.xy, uv.w).w;
208
209         if (d > p2.z)
210         {
211             //predictive point of ray traversal
212             vec3 tmpP2 = p + v * d;
213
214             //current node count
215             float nodeCount = pow(2.0, (MAX_LEVEL - level));
216             //current and predictive node ID
217             vec4 nodeID = floor(vec4(p2.xy, tmpP2.xy)*nodeCount);
218
219             //check if we are crossing the current cell
220             if (nodeID.x != nodeID.z || nodeID.y != nodeID.w)
221             {
222                 //calculate distance to nearest bound
223                 vec2 a = p2.xy - p.xy;
224                 vec2 p3 = (nodeID.xy + dirSign) / nodeCount;
225                 vec2 b = p3.xy - p.xy;
226
227                 vec2 dNC = (b.xy * p2.z) / a.xy;
228                 //take the nearest cell
229                 d = min(d,min(dNC.x, dNC.y))+fDeltaNC;
230
231                 level++;
232             }
233             p2 = p + v * d;
234         }
235         level--;
236         GlobalIterationCount++;
237     }
238
239     //
240     // Manual Bilinear filtering
241     //
242     float rayLength =  length(p2.xy - p.xy) + fDeltaNC;
243
244     float dA = p2.z * (rayLength - BILINEAR_SMOOTH_FACTOR * TEXEL_SPAN_HALF) / rayLength;
245     float dB = p2.z * (rayLength + BILINEAR_SMOOTH_FACTOR * TEXEL_SPAN_HALF) / rayLength;
246
247     vec4 p2a = vec4(p + v * dA, 0.0);
248     vec4 p2b = vec4(p + v * dB, 0.0);
249     dA = texture2DLod(NormalTex, p2a.xy, p2a.w).w;
250     dB = texture2DLod(NormalTex, p2b.xy, p2b.w).w;
251
252     dA = abs(p2a.z - dA);
253     dB = abs(p2b.z - dB);
254
255     p2 = mix(p2a.xyz, p2b.xyz, dA / (dA + dB));
256
257     p = p2;
258 }
259
260 float ray_intersect_QDM(vec2 dp, vec2 ds)
261 {
262     vec3 p = vec3( dp, 0.0 );
263     vec3 v = vec3( ds, 1.0 );
264     QDM( p, v );
265     return p.z;
266 }
267
268 float ray_intersect_relief(vec2 dp, vec2 ds)
269 {
270     float size = 1.0 / float(linear_search_steps);
271     float depth = 0.0;
272     float best_depth = 1.0;
273
274     for(int i = 0; i < linear_search_steps - 1; ++i)
275     {
276         depth += size;
277         float t = step(0.95, texture2D(NormalTex, dp + ds * depth).a);
278         if(best_depth > 0.996)
279             if(depth >= t)
280                 best_depth = depth;
281     }
282     depth = best_depth;
283
284     const int binary_search_steps = 5;
285
286     for(int i = 0; i < binary_search_steps; ++i)
287     {
288         size *= 0.5;
289         float t = step(0.95, texture2D(NormalTex, dp + ds * depth).a);
290         if(depth >= t)
291         {
292             best_depth = depth;
293             depth -= 2.0 * size;
294         }
295         depth += size;
296     }
297
298     return(best_depth);
299 }
300
301 float ray_intersect(vec2 dp, vec2 ds)
302 {
303     if ( random_buildings )
304         return 0.0;
305     else if ( quality_level >= 4.0 )
306         return ray_intersect_QDM( dp, ds );
307     else
308         return ray_intersect_relief( dp, ds );
309 }
310
311 void main (void)
312 {
313     if ( quality_level >= 3.0 ) {
314         linear_search_steps = 20;
315     }
316
317     float depthfactor = depth_factor;
318     if ( random_buildings )
319         depthfactor = 0.0;
320
321     vec3 shadedFogColor = vec3(0.65, 0.67, 0.78);
322     float effective_scattering = min(scattering, cloud_self_shading);
323     vec3 normal = normalize(VNormal);
324     vec3 tangent = normalize(VTangent);
325     //vec3 binormal = normalize(VBinormal);
326     vec3 binormal = normalize(cross(normal, tangent));
327     vec3 ecPos3 = ecPosition.xyz / ecPosition.w;
328     vec3 V = normalize(ecPos3);
329     vec3 s = vec3(dot(V, tangent), dot(V, binormal), dot(normal, -V));
330     vec2 ds = s.xy * depthfactor / s.z;
331     vec2 dp = gl_TexCoord[0].st - ds;
332     float d = ray_intersect(dp, ds);
333
334     vec2 uv = dp + ds * d;
335     vec3 N = texture2D(NormalTex, uv).xyz * 2.0 - 1.0;
336
337
338     float emis = N.z;
339     N.z = sqrt(1.0 - min(1.0,dot(N.xy, N.xy)));
340     float Nz = N.z;
341     N = normalize(N.x * tangent + N.y * binormal + N.z * normal);
342
343     vec3 l = gl_LightSource[0].position.xyz;
344     vec3 diffuse = gl_Color.rgb * max(0.0, dot(N, l));
345     float shadow_factor = 1.0;
346
347     // Shadow
348     if ( quality_level >= 2.0 ) {
349         dp += ds * d;
350         vec3 sl = normalize( vec3( dot( l, tangent ), dot( l, binormal ), dot( -l, normal ) ) );
351         ds = sl.xy * depthfactor / sl.z;
352         dp -= ds * d;
353         float dl = ray_intersect(dp, ds);
354         if ( dl < d - 0.05 )
355             shadow_factor = dot( constantColor.xyz, vec3( 1.0, 1.0, 1.0 ) ) * 0.25;
356     }
357     // end shadow
358
359     vec4 ambient_light = constantColor + vec4 (light_diffuse,1.0) * vec4(diffuse, 1.0);
360     float reflectance = ambient_light.r * 0.3 + ambient_light.g * 0.59 + ambient_light.b * 0.11;
361     if ( shadow_factor < 1.0 )
362         ambient_light = constantColor + vec4(light_diffuse,1.0) * shadow_factor * vec4(diffuse, 1.0);
363     float emission_factor = (1.0 - smoothstep(0.15, 0.25, reflectance)) * emis;
364     vec4 tc = texture2D(BaseTex, uv);
365     emission_factor *= 0.5*pow(tc.r+0.8*tc.g+0.2*tc.b, 2.0) -0.2;
366     ambient_light += (emission_factor * vec4(night_color, 0.0));
367
368
369
370     vec4 finalColor = texture2D(BaseTex, uv);
371
372
373 // texel postprocessing by shader effects
374
375
376 // dust effect
377
378 vec4 dust_color;
379
380
381 float noise_1500m = Noise3D(worldPos.xyz,1500.0);
382 float noise_2000m = Noise3D(worldPos.xyz,2000.0);
383
384 if (quality_level > 2)
385         {
386         // mix dust
387         dust_color = vec4 (0.76, 0.71, 0.56, 1.0);
388
389         finalColor = mix(finalColor, 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) );
390         }
391
392
393 // darken wet terrain
394
395     finalColor.rgb = finalColor.rgb * (1.0 - 0.6 * wetness);
396
397     finalColor *= ambient_light;
398
399     vec4 p = vec4( ecPos3 + tile_size * V * (d-1.0) * depthfactor / s.z, 1.0 );
400
401     //finalColor.rgb = fog_Func(finalColor.rgb, fogType);
402
403
404 // here comes the terrain haze model
405
406 float dist = length(relPos);
407 float delta_z = hazeLayerAltitude - eye_alt;
408
409
410 if (dist > max(40.0, 0.04 * min(visibility,avisibility)))
411 {
412
413 alt = eye_alt;
414
415
416 float transmission;
417 float vAltitude;
418 float delta_zv;
419 float H;
420 float distance_in_layer;
421 float transmission_arg;
422 float intensity;
423 vec3 lightDir = gl_LightSource[0].position.xyz;
424
425 // angle with horizon
426 float ct = dot(vec3(0.0, 0.0, 1.0), relPos)/dist;
427
428
429 // we solve the geometry what part of the light path is attenuated normally and what is through the haze layer
430
431 if (delta_z > 0.0) // we're inside the layer
432         {
433         if (ct < 0.0) // we look down
434                 {
435                 distance_in_layer = dist;
436                 vAltitude = min(distance_in_layer,min(visibility, avisibility)) * ct;
437                 delta_zv = delta_z - vAltitude;
438                 }
439         else    // we may look through upper layer edge
440                 {
441                 H = dist * ct;
442                 if (H > delta_z) {distance_in_layer = dist/H * delta_z;}
443                 else {distance_in_layer = dist;}
444                 vAltitude = min(distance_in_layer,visibility) * ct;
445                 delta_zv = delta_z - vAltitude;
446                 }
447         }
448   else // we see the layer from above, delta_z < 0.0
449         {
450         H = dist * -ct;
451         if (H  < (-delta_z)) // we don't see into the layer at all, aloft visibility is the only fading
452                 {
453                 distance_in_layer = 0.0;
454                 delta_zv = 0.0;
455                 }
456         else
457                 {
458                 vAltitude = H + delta_z;
459                 distance_in_layer = vAltitude/H * dist;
460                 vAltitude = min(distance_in_layer,visibility) * (-ct);
461                 delta_zv = vAltitude;
462                 }
463         }
464
465
466 // ground haze cannot be thinner than aloft visibility in the model,
467 // so we need to use aloft visibility otherwise
468
469
470 transmission_arg = (dist-distance_in_layer)/avisibility;
471
472
473 float eqColorFactor;
474
475
476
477 if (visibility < avisibility)
478         {
479         if (quality_level > 3)
480                 {
481                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/(1.0 * visibility + 1.0 * visibility * fogstructure * 0.06 * (noise_1500m + noise_2000m -1.0) ));
482
483                 }
484         else
485                 {
486                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/visibility);
487                 }
488         // this combines the Weber-Fechner intensity
489         eqColorFactor = 1.0 - 0.1 * delta_zv/visibility - (1.0 - effective_scattering);
490
491         }
492 else
493         {
494         if (quality_level > 3)
495                 {
496                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/(1.0 * avisibility + 1.0 * avisibility * fogstructure * 0.06 * (noise_1500m + noise_2000m  - 1.0) ));
497                 }
498         else
499                 {
500                 transmission_arg = transmission_arg + (distance_in_layer/avisibility);
501                 }
502         // this combines the Weber-Fechner intensity
503         eqColorFactor = 1.0 - 0.1 * delta_zv/avisibility - (1.0 - effective_scattering);
504         }
505
506
507
508 transmission =  fog_func(transmission_arg);
509
510 // there's always residual intensity, we should never be driven to zero
511 if (eqColorFactor < 0.2) eqColorFactor = 0.2;
512
513
514 float lightArg = (terminator-yprime_alt)/100000.0;
515
516 vec3 hazeColor;
517
518 hazeColor.b = light_func(lightArg, 1.330e-05, 0.264, 2.527, 1.08e-05, 1.0);
519 hazeColor.g = light_func(lightArg, 3.931e-06, 0.264, 3.827, 7.93e-06, 1.0);
520 hazeColor.r = light_func(lightArg, 8.305e-06, 0.161, 3.827, 3.04e-05, 1.0);
521
522
523 // now dim the light for haze
524 eShade = 0.9 * smoothstep(terminator_width+ terminator, -terminator_width + terminator, yprime_alt) + 0.1;
525
526 // Mie-like factor
527
528         if (lightArg < 10.0)
529                 {
530                 intensity = length(hazeColor);
531                 float mie_magnitude = 0.5 * smoothstep(350000.0, 150000.0, terminator-sqrt(2.0 * EarthRadius * terrain_alt));
532                 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)) );
533                 }
534
535
536 intensity = length(hazeColor);
537
538 if (intensity > 0.0) // this needs to be a condition, because otherwise hazeColor doesn't come out correctly
539         {
540         // Mie-like factor
541
542         if (lightArg < 10.0)
543                 {
544                 float mie_magnitude = 0.5 * smoothstep(350000.0, 150000.0, terminator-sqrt(2.0 * EarthRadius * terrain_alt));
545                 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)) );
546                 }
547
548         // high altitude desaturation of the haze color
549         hazeColor = intensity * normalize (mix(hazeColor, intensity * vec3 (1.0,1.0,1.0), 0.7* smoothstep(5000.0, 50000.0, alt)));
550
551         // blue hue of haze
552
553         hazeColor.x = hazeColor.x * 0.83;
554         hazeColor.y = hazeColor.y * 0.9;
555
556
557         // additional blue in indirect light
558         float fade_out = max(0.65 - 0.3 *overcast, 0.45);
559         intensity = length(hazeColor);
560         hazeColor = intensity * normalize(mix(hazeColor,  1.5* shadedFogColor, 1.0 -smoothstep(0.25, fade_out,eShade) ));
561
562         // change haze color to blue hue for strong fogging
563         hazeColor = intensity * normalize(mix(hazeColor,  shadedFogColor, (1.0-smoothstep(0.5,0.9,eqColorFactor))));
564
565
566         // reduce haze intensity when looking at shaded surfaces, only in terminator region
567
568         float shadow = mix( min(1.0 + dot(VNormal,lightDir),1.0), 1.0, 1.0-smoothstep(0.1, 0.4, transmission));
569         hazeColor = mix(shadow * hazeColor, hazeColor, 0.3 + 0.7* smoothstep(250000.0, 400000.0, terminator));
570         }
571
572
573
574 finalColor.xyz = mix(eqColorFactor * hazeColor * eShade, finalColor.xyz,transmission);
575 gl_FragColor = finalColor;
576
577 }
578 else // if dist < threshold no fogging at all
579 {
580 gl_FragColor = finalColor;
581 }
582
583
584    // gl_FragColor = finalColor;
585
586     if (dot(normal,-V) > 0.1) {
587         vec4 iproj = gl_ProjectionMatrix * p;
588         iproj /= iproj.w;
589         gl_FragDepth = (iproj.z+1.0)/2.0;
590     } else {
591         gl_FragDepth = gl_FragCoord.z;
592     }
593 }