foo
[demo_prior] / sdr / whitted.p.glsl
index 567f127..1c40d1d 100644 (file)
+struct Ray {
+       vec3 org, dir;
+       float energy, ior;
+};
+
+struct Material {
+       vec3 diffuse, specular;
+       float shin;
+       float refl, refr;
+       float ior;
+};
+
+struct HitPoint {
+       float dist;
+       vec3 pos, norm;
+       vec2 surfpos;
+       Material mtl;
+       float shadow;   /* opacity along the line of sight up to dist=1 */
+};
+
 varying vec3 v_rorg, v_rdir;
 
-vec3 shade(in vec3 pos, in vec3 norm);
+
+vec3 shade(in vec3 ro, in vec3 rd, in HitPoint hit);
 vec3 backdrop(in vec3 dir);
-float isect_plane(in vec3 ro, in vec3 rd, out vec3 norm_ret);
+
+bool isect_scene(in vec3 ro, in vec3 rd, out HitPoint hit);
+
+bool isect_floor(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec2 sz, out HitPoint hit);
+bool isect_plane(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec4 plane, out HitPoint hit);
+bool isect_sphere(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec3 pos, float rad, out HitPoint hit);
+
+/* schlick's approximation: [5.0, 1.0, R(0deg)] */
+float hack_fresnel(vec3 i, vec3 n, vec3 fresnel_val);
+
+vec3 tex_chess(in vec3 col1, in vec3 col2, in vec2 spos);
+
+#define GREY(x)        vec3(x, x, x)
+
+const Material mtl_sph = Material(vec3(0.05, 0.15, 0.08), GREY(0.8), 80.0, 0.8, 0.0, 0.0);
+const Material mtl_glass = Material(GREY(0.02), GREY(0.8), 80.0, 0.99, 0.99, 1.52);
+const Material mtl_air = Material(GREY(0.0), GREY(0.8), 80.0, 0.99, 0.99, 1.0);
+const Material mtl_floor = Material(GREY(0.5), GREY(0.0), 1.0, 0.0, 0.0, 0.0);
+
+const vec3 light_pos = vec3(-10, 50, 30);
+
+bool cast_ray(in Ray ray, inout vec3 color, out HitPoint hit)
+{
+       if(isect_scene(ray.org, ray.dir, hit)) {
+               color += shade(ray.org, ray.dir, hit) * ray.energy;
+               return true;
+       }
+       color += backdrop(ray.dir) * ray.energy;
+       return false;
+}
+
+#define MAX_LEVEL      8
+
+struct StackFrame {
+       int op;
+       Ray ray;
+       HitPoint hit;
+};
 
 void main()
 {
-       vec3 rdir = normalize(v_rdir);
+       StackFrame stack[MAX_LEVEL];
+
+       vec3 color = vec3(0.0, 0.0, 0.0);
+
+       stack[0].op = 0;
+       stack[0].ray.org = v_rorg;
+       stack[0].ray.dir = normalize(v_rdir);
+       stack[0].ray.energy = stack[0].ray.ior = 1.0;
 
-       float t = isect_floor(v_rorg, rdir);
-       if(t >= 0.0) {
-               gl_FragColor.rgb = shade(v_rorg + rdir * t, vec3(0.0, 1.0, 0.0));
-       } else {
-               gl_FragColor.rgb = backdrop(rdir);
+       int top = 0;
+       while(top >= 0) {
+               if(top >= MAX_LEVEL - 1) {
+                       color += backdrop(stack[top].ray.dir) * stack[top].ray.energy;
+                       top--;
+                       continue;
+               }
+               if(stack[top].ray.energy < 1e-3) {
+                       top--;
+                       continue;
+               }
+
+               if(!cast_ray(stack[top].ray, color, stack[top].hit)) {
+                       /* no hit, return */
+                       top--;
+                       continue;
+               }
+
+               /* found a hit, recurse for reflection/refraction */
+               HitPoint hit = stack[top].hit;
+
+               // 1.0 when entering, 0.0 when leaving
+               float entering = step(0.0, dot(-stack[top].ray.dir, hit.norm));
+               vec3 norm = faceforward(hit.norm, stack[top].ray.dir, hit.norm);
+
+               float fr = hack_fresnel(-stack[top].ray.dir, norm, vec3(5.0, 2.0, 0.01));
+               // fr = 1 everywhere when ior < 0.5 to avoid affecting the metal sphere
+               fr = min(1.0, (1.0 - step(0.5, hit.mtl.ior)) + fr);
+
+               int op = stack[top].op++;
+               if(op == 0) {
+                       // reflection
+                       float energy = stack[top].ray.energy * hit.mtl.refl * fr;
+                       if(energy > 1e-4) {
+                               int next = top + 1;
+                               stack[next].op = 0;
+                               stack[next].ray.org = hit.pos + norm * 1e-5;
+                               stack[next].ray.dir = reflect(stack[top].ray.dir, norm);
+                               stack[next].ray.energy = energy;
+                               top = next;
+                       }
+               } else if(op == 1) {
+                       // refraction
+                       float energy = stack[top].ray.energy * hit.mtl.refr * (1.0 - fr);
+                       if(energy > 1e-4) {
+                               float next_ior = mix(stack[top - 1].ray.ior, hit.mtl.ior, entering);
+                               float ior = stack[top].ray.ior / next_ior;
+                               int next = top + 1;
+                               stack[next].op = 0;
+                               stack[next].ray.org = hit.pos - norm * 1e-5;
+                               stack[next].ray.dir = refract(stack[top].ray.dir, norm, ior);
+                               stack[next].ray.energy = energy;
+                               stack[next].ray.ior = next_ior;
+                               top = next;
+                       }
+               } else if(op == 2) {
+                       // return
+                       top--;
+               }
        }
-       gl_FragColor.a = 1.0;
+
+       gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
 }
 
-vec3 shade(in vec3 pos, in vec3 norm)
+vec3 shade(in vec3 ro, in vec3 rd, in HitPoint hit)
 {
+       HitPoint shadow_hit;
+       vec3 norm = faceforward(hit.norm, rd, hit.norm);
+       vec3 ldir = light_pos - hit.pos;
+
+       vec3 amb = hit.mtl.diffuse * 0.01;
+
+       isect_scene(hit.pos + norm * 0.01, ldir, shadow_hit);
+
+       vec3 l = normalize(ldir);
+       vec3 v = normalize(-rd);
+       vec3 h = normalize(v + l);
+       float ndotl = max(dot(norm, l), 0.0);
+       float ndoth = max(dot(norm, h), 0.0);
+
+       vec3 lit = hit.mtl.diffuse * ndotl + hit.mtl.specular * pow(ndoth, hit.mtl.shin);
+
+       return amb + lit * shadow_hit.shadow;
 }
 
+#define M_PI   3.1415926
+#define M_2PI  (M_PI * 2.0)
+
 vec3 backdrop(in vec3 dir)
 {
+       return vec3(0.02, 0.38, 0.6) * 0.9;
 }
 
-float isect_floor(in vec3 ro, in vec3 rd)
+#define FLOOR_OFFS     vec3(3.0, 0.0, -9.0)
+#define FLOOR_SIZE     vec2(5.5, 12.0)
+
+#define REFL_POS       vec3(1.36, -0.5, 0.0)
+#define GLASS_POS      vec3(0.0, 0.2, 1.2)
+
+bool isect_scene(in vec3 ro, in vec3 rd, out HitPoint hit_res)
 {
-       float t = isect_plane(ro, rd, vec4(0.0, 1.0, 0.0, -1.0));
-       if(t < 0.0) return t;
+       float opacity = 1.0;
+       HitPoint hit, nearest;
 
-       vec3 p = ro + rd * t;
-       float d = max(abs(p.x), max(abs(p.y), abs(p.z)));
-       if(d >= 1.0) return -1.0;
+       nearest.dist = 10000.0;
+
+       if(isect_sphere(ro, rd, REFL_POS, 0.85, hit)) {
+               nearest = hit;
+               nearest.mtl = mtl_sph;
+               if(hit.dist < 1.0) {
+                       opacity *= mtl_sph.refr;
+               }
+       }
+
+       if(isect_sphere(ro, rd, GLASS_POS, 0.9, hit)) {
+               if(hit.dist < nearest.dist) {
+                       nearest = hit;
+                       nearest.mtl = mtl_glass;
+               }
+               if(hit.dist < 1.0) {
+                       opacity *= mtl_glass.refr * 0.25;       // XXX hack quarter the refr, fresnel would reduce it drastically
+               }
+       }
 
-       return t;
+       if(isect_sphere(ro, rd, GLASS_POS, 0.86, hit)) {
+               if(hit.dist < nearest.dist) {
+                       nearest = hit;
+                       nearest.mtl = mtl_air;
+               }
+       }
+
+       if(isect_floor(ro, rd, FLOOR_SIZE, hit) && hit.dist < nearest.dist) {
+               nearest = hit;
+               nearest.mtl = mtl_floor;
+               nearest.mtl.diffuse = tex_chess(vec3(0.25, 0.01, 0.01), vec3(0.3, 0.3, 0.1), hit.surfpos);
+       }
+
+       if(nearest.dist >= 9999.0) {
+               hit_res.shadow = 1.0;
+               return false;
+       }
+
+       hit_res = nearest;
+       hit_res.shadow = opacity;
+       return true;
+}
+
+bool isect_floor(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec2 sz, out HitPoint hit)
+{
+       if(!isect_plane(ro - FLOOR_OFFS, rd, vec4(0.0, 1.0, 0.0, -1.8), hit)) {
+               return false;
+       }
+
+       if(abs(hit.pos.x) >= sz.x || abs(hit.pos.z) >= sz.y) {
+               return false;
+       }
+
+       hit.pos += FLOOR_OFFS;
+       hit.surfpos /= sz * 2.0;
+       return true;
+}
+
+bool isect_plane(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec4 plane, out HitPoint hit)
+{
+       float ndotrd = dot(rd, plane.xyz);
+
+       if(abs(ndotrd) < 1e-6) {
+               return false;
+       }
+
+       vec3 pp = plane.xyz * plane.w;
+       vec3 pdir = pp - ro;
+       float t = dot(pdir, plane.xyz) / ndotrd;
+
+       if(t < 1e-6) {
+               return false;
+       }
+
+       hit.dist = t;
+       hit.pos = ro + rd * t;
+       hit.norm = plane.xyz;
+       hit.surfpos = hit.pos.xz;       /* XXX */
+       return true;
+}
+
+bool isect_sphere(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec3 pos, float rad, out HitPoint hit)
+{
+       float a = dot(rd, rd);
+       float b = dot(rd * 2.0, (ro - pos));
+       float c = dot(ro, ro) + dot(pos, pos) - 2.0 * dot(ro, pos) - rad * rad;
+
+       float d = b * b - 4.0 * a * c;
+       if(d < 1e-6) {
+               return false;
+       }
+
+       float t0 = (-b + sqrt(d)) / (2.0 * a);
+       float t1 = (-b - sqrt(d)) / (2.0 * a);
+
+       if(t0 < 0.0) t0 = t1;
+       if(t1 < 0.0) t1 = t0;
+       float t = min(t0, t1);
+
+       if(t < 1e-6) {
+               return false;
+       }
+
+       hit.dist = t;
+       hit.pos = ro + rd * t;
+       hit.norm = normalize(hit.pos - pos);
+       hit.surfpos.x = atan(hit.norm.z, hit.norm.x);
+       hit.surfpos.y = acos(hit.norm.y);
+       return true;
 }
 
-float isect_plane(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec4 plane)
+/* schlick's approximation: [5.0, 1.0, R(0deg)] */
+float hack_fresnel(vec3 i, vec3 n, vec3 fresnel_val)
 {
+       return fresnel_val.z + pow(1.0 - dot(i, n), fresnel_val.x) * fresnel_val.y;
+}
+
+vec3 tex_chess(in vec3 col1, in vec3 col2, in vec2 spos)
+{
+       float foo = step(0.5, mod(spos.x * 8.0, 1.0)) * 2.0 - 1.0;
+       float bar = step(0.5, mod(spos.y * 12.0, 1.0)) * 2.0 - 1.0;
+
+       float xor = (foo * bar) * 0.5 + 0.5;
 
+       return mix(col1, col2, xor);
 }