whitted: recursion emulation
authorJohn Tsiombikas <nuclear@member.fsf.org>
Mon, 7 Dec 2020 21:33:17 +0000 (23:33 +0200)
committerJohn Tsiombikas <nuclear@member.fsf.org>
Mon, 7 Dec 2020 21:33:17 +0000 (23:33 +0200)
sdr/whitted.p.glsl
sdr/whitted.v.glsl

index 0124f1b..055a818 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;
@@ -24,43 +32,121 @@ bool isect_sphere(in vec3 ro, in vec3 rd, in vec3 pos, float rad, out HitPoint h
 
 vec3 tex_chess(in vec3 col1, in vec3 col2, in vec2 spos);
 
-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);
+const Material mtl_sph = Material(vec3(1.0, 1.0, 1.0) * 0.1, vec3(1.0, 1.0, 1.0), 80.0, 0.8, 0.0, 1.0);
+const Material mtl_glass = Material(vec3(1.0, 1.0, 1.0) * 0.01, vec3(1.0, 1.0, 1.0), 80.0, 0.0, 0.99, 1.52);
+const Material mtl_air = Material(vec3(1.0, 1.0, 1.0) * 0.01, vec3(1.0, 1.0, 1.0), 80.0, 0.0, 0.99, 1.0);
+const Material mtl_floor = Material(vec3(0.5, 0.5, 0.5), vec3(0.0, 0.0, 0.0), 1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
 
 const vec3 light_pos = vec3(-10, 50, 30);
 
-void main()
+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);
+       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);
+
+               int op = stack[top].op++;
+               if(op == 0) {
+                       // reflection
+                       float energy = stack[top].ray.energy * hit.mtl.refl;
+                       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;
+                       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)
 {
        HitPoint shadow_hit;
+       vec3 norm = faceforward(hit.norm, rd, hit.norm);
        vec3 ldir = light_pos - hit.pos;
 
-       vec3 col = vec3(0.03, 0.03, 0.03);      // ambient
+       vec3 amb = hit.mtl.diffuse * 0.02;
 
-       if(!isect_scene(hit.pos + hit.norm * 0.01, ldir, shadow_hit) || shadow_hit.dist > 1.0) {
-               vec3 l = normalize(ldir);
-               vec3 v = normalize(-rd);
-               vec3 h = normalize(v + l);
-               float ndotl = max(dot(hit.norm, l), 0.0);
-               float ndoth = max(dot(hit.norm, h), 0.0);
+       isect_scene(hit.pos + norm * 0.01, ldir, shadow_hit);
 
-               col += hit.mtl.diffuse * ndotl + hit.mtl.specular * pow(ndoth, hit.mtl.shin);
-       }
+       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);
 
-       return col;
+       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
@@ -68,21 +154,44 @@ 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(0.1, 0.15, 1.0);
 }
 
 #define FLOOR_OFFS     vec3(3.0, 0.0, 0.0)
 #define FLOOR_SIZE     vec2(5.5, 15.0)
 
+#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(1.0, 0.0, 0.0), 1.0, hit)) {
+       if(isect_sphere(ro, rd, vec3(1.5, -0.5, 0.0), 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;
+               }
+       }
+
+       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) {
@@ -92,10 +201,12 @@ bool isect_scene(in vec3 ro, in vec3 rd, out HitPoint hit_res)
        }
 
        if(nearest.dist >= 10000.0) {
+               hit_res.shadow = 1.0;
                return false;
        }
 
        hit_res = nearest;
+       hit_res.shadow = opacity;
        return true;
 }
 
index 5e0aff2..4e18772 100644 (file)
@@ -1,4 +1,4 @@
-#define FOV    0.9
+#define FOV    0.8
 
 uniform float aspect;