yzt
2023-05-26 de4278af2fd46705a40bac58ec01122db6b7f3d7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
uniform sampler2D u_noiseTexture;
uniform vec3 u_noiseTextureDimensions;
uniform float u_noiseDetail;
varying vec2 v_offset;
varying vec3 v_maximumSize;
varying float v_slice;
varying float v_brightness;
 
float wrap(float value, float rangeLength) {
    if(value < 0.0) {
        float absValue = abs(value);
        float modValue = mod(absValue, rangeLength);
        return mod(rangeLength - modValue, rangeLength);
    }
    return mod(value, rangeLength);
}
 
vec3 wrapVec(vec3 value, float rangeLength) {
    return vec3(wrap(value.x, rangeLength),
                wrap(value.y, rangeLength),
                wrap(value.z, rangeLength));
}
 
float textureSliceWidth = u_noiseTextureDimensions.x;
float noiseTextureRows = u_noiseTextureDimensions.y;
float inverseNoiseTextureRows = u_noiseTextureDimensions.z;
 
float textureSliceWidthSquared = textureSliceWidth * textureSliceWidth;
vec2 inverseNoiseTextureDimensions = vec2(noiseTextureRows / textureSliceWidthSquared,
                                          inverseNoiseTextureRows / textureSliceWidth);
 
vec2 voxelToUV(vec3 voxelIndex) {
    vec3 wrappedIndex = wrapVec(voxelIndex, textureSliceWidth);
    float column = mod(wrappedIndex.z, textureSliceWidth * inverseNoiseTextureRows);
    float row = floor(wrappedIndex.z / textureSliceWidth * noiseTextureRows);
 
    float xPixelCoord = wrappedIndex.x + column * textureSliceWidth;
    float yPixelCoord = wrappedIndex.y + row * textureSliceWidth;
    return vec2(xPixelCoord, yPixelCoord) * inverseNoiseTextureDimensions;
}
 
// Interpolate a voxel with its neighbor (along the positive X-axis)
vec4 lerpSamplesX(vec3 voxelIndex, float x) {
    vec2 uv0 = voxelToUV(voxelIndex);
    vec2 uv1 = voxelToUV(voxelIndex + vec3(1.0, 0.0, 0.0));
    vec4 sample0 = texture2D(u_noiseTexture, uv0);
    vec4 sample1 = texture2D(u_noiseTexture, uv1);
    return mix(sample0, sample1, x);
}
 
vec4 sampleNoiseTexture(vec3 position) {
    vec3 recenteredPos = position + vec3(textureSliceWidth / 2.0);
    vec3 lerpValue = fract(recenteredPos);
    vec3 voxelIndex = floor(recenteredPos);
 
    vec4 xLerp00 = lerpSamplesX(voxelIndex, lerpValue.x);
    vec4 xLerp01 = lerpSamplesX(voxelIndex + vec3(0.0, 0.0, 1.0), lerpValue.x);
    vec4 xLerp10 = lerpSamplesX(voxelIndex + vec3(0.0, 1.0, 0.0), lerpValue.x);
    vec4 xLerp11 = lerpSamplesX(voxelIndex + vec3(0.0, 1.0, 1.0), lerpValue.x);
 
    vec4 yLerp0 = mix(xLerp00, xLerp10, lerpValue.y);
    vec4 yLerp1 = mix(xLerp01, xLerp11, lerpValue.y);
    return mix(yLerp0, yLerp1, lerpValue.z);
}
 
// Intersection with a unit sphere with radius 0.5 at center (0, 0, 0).
bool intersectSphere(vec3 origin, vec3 dir, float slice,
                     out vec3 point, out vec3 normal) {
    float A = dot(dir, dir);
    float B = dot(origin, dir);
    float C = dot(origin, origin) - 0.25;
    float discriminant = (B * B) - (A * C);
    if(discriminant < 0.0) {
        return false;
    }
    float root = sqrt(discriminant);
    float t = (-B - root) / A;
    if(t < 0.0) {
        t = (-B + root) / A;
    }
    point = origin + t * dir;
 
    if(slice >= 0.0) {
        point.z = (slice / 2.0) - 0.5;
        if(length(point) > 0.5) {
            return false;
        }
    }
 
    normal = normalize(point);
    point -= czm_epsilon2 * normal;
    return true;
}
 
// Transforms the ray origin and direction into unit sphere space,
// then transforms the result back into the ellipsoid's space.
bool intersectEllipsoid(vec3 origin, vec3 dir, vec3 center, vec3 scale, float slice,
                        out vec3 point, out vec3 normal) {
    if(scale.x <= 0.01 || scale.y < 0.01 || scale.z < 0.01) {
        return false;
    }
 
    vec3 o = (origin - center) / scale;
    vec3 d = dir / scale;
    vec3 p, n;
    bool intersected = intersectSphere(o, d, slice, p, n);
    if(intersected) {
        point = (p * scale) + center;
        normal = n;
    }
    return intersected;
}
 
// Assume that if phase shift is being called for octave i,
// the frequency is of i - 1. This saves us from doing extra
// division / multiplication operations.
vec2 phaseShift2D(vec2 p, vec2 freq) {
    return (czm_pi / 2.0) * sin(freq.yx * p.yx);
}
 
vec2 phaseShift3D(vec3 p, vec2 freq) {
    return phaseShift2D(p.xy, freq) + czm_pi * vec2(sin(freq.x * p.z));
}
 
// The cloud texture function derived from Gardner's 1985 paper,
// "Visual Simulation of Clouds."
// https://www.cs.drexel.edu/~david/Classes/Papers/p297-gardner.pdf
const float T0    = 0.6;  // contrast of the texture pattern
const float k     = 0.1;  // computed to produce a maximum value of 1
const float C0    = 0.8;  // coefficient
const float FX0   = 0.6;  // frequency X
const float FY0   = 0.6;  // frequency Y
const int octaves = 5;
 
float T(vec3 point) {
    vec2 sum = vec2(0.0);
    float Ci = C0;
    vec2 FXY = vec2(FX0, FY0);
    vec2 PXY = vec2(0.0);
    for(int i = 1; i <= octaves; i++) {
        PXY = phaseShift3D(point, FXY);
        Ci *= 0.707;
        FXY *= 2.0;
        vec2 sinTerm = sin(FXY * point.xy + PXY);
        sum += Ci * sinTerm + vec2(T0);
    }
    return k * sum.x * sum.y;
}
 
const float a = 0.5;  // fraction of surface reflection due to ambient or scattered light,
const float t = 0.4;  // fraction of texture shading
const float s = 0.25; // fraction of specular reflection
 
float I(float Id, float Is, float It) {
    return (1.0 - a) * ((1.0 - t) * ((1.0 - s) * Id + s * Is) + t * It) + a;
}
 
const vec3 lightDir = normalize(vec3(0.2, -1.0, 0.7));
 
vec4 drawCloud(vec3 rayOrigin, vec3 rayDir, vec3 cloudCenter, vec3 cloudScale, float cloudSlice,
               float brightness) {
    vec3 cloudPoint, cloudNormal;
    if(!intersectEllipsoid(rayOrigin, rayDir, cloudCenter, cloudScale, cloudSlice,
                            cloudPoint, cloudNormal)) {
        return vec4(0.0);
    }
 
    float Id = clamp(dot(cloudNormal, -lightDir), 0.0, 1.0);  // diffuse reflection
    float Is = max(pow(dot(-lightDir, -rayDir), 2.0), 0.0);   // specular reflection
    float It = T(cloudPoint);                                 // texture function
    float intensity = I(Id, Is, It);
    vec3 color = intensity * clamp(brightness, 0.1, 1.0) * vec3(1.0);
 
    vec4 noise = sampleNoiseTexture(u_noiseDetail * cloudPoint);
    float W = noise.x;
    float W2 = noise.y;
    float W3 = noise.z;
 
    // The dot product between the cloud's normal and the ray's direction is greatest
    // in the center of the ellipsoid's surface. It decreases towards the edge.
    // Thus, it is used to blur the areas leading to the edges of the ellipsoid,
    // so that no harsh lines appear.
 
    // The first (and biggest) layer of worley noise is then subtracted from this.
    // The final result is scaled up so that the base cloud is not too translucent.
    float ndDot = clamp(dot(cloudNormal, -rayDir), 0.0, 1.0);
    float TR = pow(ndDot, 3.0) - W; // translucency
    TR *= 1.3;
 
    // Subtracting the second and third layers of worley noise is more complicated.
    // If these layers of noise were simply subtracted from the current translucency,
    // the shape derived from the first layer of noise would be completely deleted.
    // The erosion of this noise should thus be constricted to the edges of the cloud.
    // However, because the edges of the ellipsoid were already blurred away, mapping
    // the noise to (1.0 - ndDot) will have no impact on most of the cloud's appearance.
    // The value of (0.5 - ndDot) provides the best compromise.
    float minusDot = 0.5 - ndDot;
 
    // Even with the previous calculation, subtracting the second layer of wnoise
    // erode too much of the cloud. The addition of it, however, will detailed
    // volume to the cloud. As long as the noise is only added and not subtracted,
    // the results are aesthetically pleasing.
 
    // The minusDot product is mapped in a way that it is larger at the edges of
    // the ellipsoid, so a subtraction and min operation are used instead of
    // an addition and max one.
    TR -= min(minusDot * W2, 0.0);
 
    // The third level of worley noise is subtracted from the result, with some
    // modifications. First, a scalar is added to minusDot so that the noise
    // starts affecting the shape farther away from the center of the ellipsoid's
    // surface. Then, it is scaled down so its impact is not too intense.
    TR -= 0.8 * (minusDot + 0.25) * W3;
 
    // The texture function's shading does not correlate with the shape of the cloud
    // produced by the layers of noise, so an extra shading scalar is calculated.
    // The darkest areas of the cloud are assigned to be where the noise erodes
    // the cloud the most. This is then interpolated based on the translucency
    // and the diffuse shading term of that point in the cloud.
    float shading = mix(1.0 - 0.8 * W * W, 1.0, Id * TR);
 
    // To avoid values that are too dark, this scalar is increased by a small amount
    // and clamped so it never goes to zero.
    shading = clamp(shading + 0.2, 0.3, 1.0);
 
    // Finally, the contrast of the cloud's color is increased.
    vec3 finalColor = mix(vec3(0.5), shading * color, 1.15);
    return vec4(finalColor, clamp(TR, 0.0, 1.0));
}
 
void main() {
#ifdef DEBUG_BILLBOARDS
    gl_FragColor = vec4(0.0, 0.5, 0.5, 1.0);
#endif
    // To avoid calculations with high values,
    // we raycast from an arbitrarily smaller space.
    vec2 coordinate = v_maximumSize.xy * v_offset;
 
    vec3 ellipsoidScale = 0.82 * v_maximumSize;
    vec3 ellipsoidCenter = vec3(0.0);
 
    float zOffset = max(ellipsoidScale.z - 10.0, 0.0);
    vec3 eye = vec3(0, 0, -10.0 - zOffset);
    vec3 rayDir = normalize(vec3(coordinate, 1.0) - eye);
    vec3 rayOrigin = eye;
#ifdef DEBUG_ELLIPSOIDS
    vec3 point, normal;
    if(intersectEllipsoid(rayOrigin, rayDir, ellipsoidCenter, ellipsoidScale, v_slice,
                          point, normal)) {
        gl_FragColor = v_brightness * vec4(1.0);
    }
#else
#ifndef DEBUG_BILLBOARDS
    vec4 cloud = drawCloud(rayOrigin, rayDir,
                           ellipsoidCenter, ellipsoidScale, v_slice, v_brightness);
    if(cloud.w < 0.01) {
        discard;
    }
    gl_FragColor = cloud;
#endif
#endif
}