foo
[demo_prior] / sdr / whitted.p.glsl
index fc197f6..1c40d1d 100644 (file)
@@ -1,6 +1,13 @@
+struct Ray {
+       vec3 org, dir;
+       float energy, ior;
+};
+
 struct Material {
        vec3 diffuse, specular;
        float shin;
+       float refl, refr;
+       float ior;
 };
 
 struct HitPoint {
@@ -8,6 +15,7 @@ struct HitPoint {
        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;
@@ -18,28 +26,136 @@ vec3 backdrop(in vec3 dir);
 
 bool isect_scene(in vec3 ro, in vec3 rd, out HitPoint hit);
 
-bool isect_floor(in vec3 ro, in vec3 rd, float rad, 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);
 
-void main()
+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)
 {
-       vec3 rdir = normalize(v_rdir);
-       gl_FragColor.rgb = backdrop(rdir);
+       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;
-       if(isect_scene(v_rorg, rdir, hit)) {
-               gl_FragColor.rgb = shade(v_rorg, rdir, hit);
-       } else {
-               gl_FragColor.rgb = backdrop(rdir);
+};
+
+void main()
+{
+       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;
+
+       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 ro, in vec3 rd, in HitPoint hit)
 {
-       return (hit.norm * 0.5 + 0.5) * hit.mtl.diffuse;
+       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
@@ -47,45 +163,75 @@ vec3 shade(in vec3 ro, in vec3 rd, in HitPoint hit)
 
 vec3 backdrop(in vec3 dir)
 {
-       return mix(vec3(0.8, 0.3, 0.2), vec3(0.2, 0.3, 0.8), smoothstep(-0.1, 0.1, dir.y));
+       return vec3(0.02, 0.38, 0.6) * 0.9;
 }
 
-const Material mtl_sph = Material(vec3(1.0, 0.0, 0.0), vec3(1.0, 1.0, 1.0), 80.0);
-const Material mtl_floor = Material(vec3(0.5, 0.5, 0.5), vec3(0.0, 0.0, 0.0), 1.0);
+#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 opacity = 1.0;
        HitPoint hit, nearest;
 
        nearest.dist = 10000.0;
 
-       if(isect_sphere(ro, rd, vec3(0.0, 0.0, 0.0), 1.0, hit)) {
+       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
+               }
+       }
+
+       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, 5.0, hit) && hit.dist < nearest.dist) {
+       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 >= 10000.0) {
+       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, float rad, out HitPoint hit)
+bool isect_floor(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec2 sz, out HitPoint hit)
 {
-       if(!isect_plane(ro, rd, vec4(0.0, 1.0, 0.0, -1.0), hit)) {
+       if(!isect_plane(ro - FLOOR_OFFS, rd, vec4(0.0, 1.0, 0.0, -1.8), hit)) {
                return false;
        }
 
-       float d = max(abs(hit.pos.x), abs(hit.pos.z));
-       if(d >= rad) 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;
 }
 
@@ -101,6 +247,10 @@ bool isect_plane(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec4 plane, out HitPoint hit)
        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;
@@ -137,3 +287,19 @@ bool isect_sphere(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec3 pos, float rad, out HitPoint h
        hit.surfpos.y = acos(hit.norm.y);
        return true;
 }
+
+/* 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);
+}