dali-scene3d/internal/graphics/shaders/default-physically-based-shader.frag

   1 #version 300 es
   2
   3 // Original Code
   4 // https://github.com/KhronosGroup/glTF-Sample-Viewer/blob/glTF-WebGL-PBR/shaders/pbr-frag.glsl
   5 // Commit dc84b5e374fb3d23153d2248a338ef88173f9eb6
   6 //
   7 // This fragment shader defines a reference implementation for Physically Based Shading of
   8 // a microfacet surface material defined by a glTF model.For the DamagedHelmet.gltf and its Assets
   9 //
  10 // References:
  11 // [1] Real Shading in Unreal Engine 4
  12 //     http://blog.selfshadow.com/publications/s2013-shading-course/karis/s2013_pbs_epic_notes_v2.pdf
  13 // [2] Physically Based Shading at Disney
  14 //     http://blog.selfshadow.com/publications/s2012-shading-course/burley/s2012_pbs_disney_brdf_notes_v3.pdf
  15 // [3] README.md - Environment Maps
  16 //     https://github.com/KhronosGroup/glTF-Sample-Viewer/#environment-maps
  17 // [4] \"An Inexpensive BRDF Model for Physically based Rendering\" by Christophe Schlick
  18 //     https://www.cs.virginia.edu/~jdl/bib/appearance/analytic%20models/schlick94b.pdf
  19
  20 #ifdef HIGHP
  21 precision highp float;
  22 #else
  23 precision mediump float;
  24 #endif
  25
  26 #ifdef GLTF_CHANNELS
  27 #define METALLIC b
  28 #define ROUGHNESS g
  29 #else //GLTF_CHANNELS
  30 #define METALLIC r
  31 #define ROUGHNESS a
  32 #endif //GLTF_CHANNELS
  33
  34 uniform lowp vec4 uColor; // Color from SceneGraph
  35 uniform lowp vec4 uColorFactor; // Color from material
  36 uniform lowp float uMetallicFactor;
  37 uniform lowp float uRoughnessFactor;
  38 uniform lowp float uDielectricSpecular;
  39
  40 #ifdef THREE_TEX
  41 #ifdef BASECOLOR_TEX
  42 uniform sampler2D sAlbedoAlpha;
  43 #endif // BASECOLOR_TEX
  44 #ifdef METALLIC_ROUGHNESS_TEX
  45 uniform sampler2D sMetalRoughness;
  46 #endif // METALLIC_ROUGHNESS_TEX
  47 #ifdef NORMAL_TEX
  48 uniform sampler2D sNormal;
  49 uniform float uNormalScale;
  50 #endif // NORMAL_TEX
  51 #else // THREE_TEX
  52 uniform sampler2D sAlbedoMetal;
  53 uniform sampler2D sNormalRoughness;
  54 #endif
  55
  56 #ifdef OCCLUSION
  57 uniform sampler2D sOcclusion;
  58 uniform float uOcclusionStrength;
  59 #endif
  60
  61 #ifdef EMISSIVE_TEXTURE
  62 uniform sampler2D sEmissive;
  63 #endif
  64 uniform vec3 uEmissiveFactor;
  65
  66 uniform float uSpecularFactor;
  67 uniform vec3  uSpecularColorFactor;
  68 #ifdef MATERIAL_SPECULAR_TEXTURE
  69 uniform sampler2D sSpecular;
  70 #endif
  71 #ifdef MATERIAL_SPECULAR_COLOR_TEXTURE
  72 uniform sampler2D sSpecularColor;
  73 #endif
  74
  75 // For Light (Currently Directional Only)
  76 #define MAX_LIGHTS 5
  77 uniform mediump int uLightCount;
  78 uniform mediump vec3 uLightDirection[MAX_LIGHTS];
  79 uniform mediump vec3 uLightColor[MAX_LIGHTS];
  80
  81 //// For IBL
  82 uniform sampler2D sbrdfLUT;
  83 uniform samplerCube sDiffuseEnvSampler;
  84 uniform samplerCube sSpecularEnvSampler;
  85 uniform float uIblIntensity;
  86 uniform mediump vec3 uYDirection;
  87 uniform float uMaxLOD;
  88
  89 // For Alpha Mode.
  90 uniform lowp float uOpaque;
  91 uniform lowp float uMask;
  92 uniform lowp float uAlphaThreshold;
  93
  94 // TODO: Multiple texture coordinate will be supported.
  95 in mediump vec2 vUV;
  96 in lowp mat3 vTBN;
  97 in lowp vec4 vColor;
  98 in highp vec3 vPositionToCamera;
  99
 100 out vec4 FragColor;
 101
 102 const float c_MinRoughness = 0.04;
 103 const float M_PI = 3.141592653589793;
 104
 105 vec3 linear(vec3 color)
 106 {
 107   return pow(color, vec3(2.2));
 108 }
 109
 110 void main()
 111 {
 112   // Metallic and Roughness material properties are packed together
 113   // In glTF, these factors can be specified by fixed scalar values
 114   // or from a metallic-roughness map
 115   // Roughness is stored in the 'g' channel, metallic is stored in the 'b' channel.
 116   // This layout intentionally reserves the 'r' channel for (optional) occlusion map data
 117   lowp float metallic = uMetallicFactor;
 118   lowp float perceptualRoughness = uRoughnessFactor;
 119   // If there isn't normal texture, use surface normal
 120   highp vec3 n = normalize(vTBN[2].xyz);
 121
 122 #ifdef THREE_TEX
 123   // The albedo may be defined from a base texture or a flat color
 124 #ifdef BASECOLOR_TEX
 125   lowp vec4 baseColor = texture(sAlbedoAlpha, vUV);
 126   baseColor = vColor * vec4(linear(baseColor.rgb), baseColor.w) * uColorFactor;
 127 #else // BASECOLOR_TEX
 128   lowp vec4 baseColor = vColor * uColorFactor;
 129 #endif // BASECOLOR_TEX
 130
 131 #ifdef METALLIC_ROUGHNESS_TEX
 132   lowp vec4 metrou = texture(sMetalRoughness, vUV);
 133   metallic = metrou.METALLIC * metallic;
 134   perceptualRoughness = metrou.ROUGHNESS * perceptualRoughness;
 135 #endif // METALLIC_ROUGHNESS_TEX
 136
 137 #ifdef NORMAL_TEX
 138   n = texture(sNormal, vUV).rgb;
 139   n = normalize(vTBN * ((2.0 * n - 1.0) * vec3(uNormalScale, uNormalScale, 1.0)));
 140 #endif // NORMAL_TEX
 141 #else // THREE_TEX
 142   vec4 albedoMetal = texture(sAlbedoMetal, vUV);
 143   lowp vec4 baseColor = vec4(linear(albedoMetal.rgb), 1.0) * vColor * uColorFactor;
 144
 145   metallic = albedoMetal.METALLIC * metallic;
 146
 147   vec4 normalRoughness = texture(sNormalRoughness, vUV);
 148   perceptualRoughness = normalRoughness.ROUGHNESS * perceptualRoughness;
 149
 150   n = normalRoughness.rgb;
 151   n = normalize(vTBN * ((2.0 * n - 1.0) * vec3(uNormalScale, uNormalScale, 1.0)));
 152 #endif // THREE_TEX
 153
 154   // The value of uOpaque and uMask can be 0.0 or 1.0.
 155   // If uMask is 1.0, a Pixel that has bigger alpha than uAlphaThreashold becomes fully opaque,
 156   // and, a pixel that has smaller alpha than uAlphaThreashold becomes fully transparent.
 157   // If uOpaque is 1.0, alpha value of final color is 1.0;
 158   // https://www.khronos.org/registry/glTF/specs/2.0/glTF-2.0.html#_material_alphamode
 159   if(uMask > 0.5 && baseColor.a < uAlphaThreshold)
 160   {
 161     discard;
 162   }
 163   baseColor.a = mix(baseColor.a, 1.0, uOpaque);
 164
 165   metallic = clamp(metallic, 0.0, 1.0);
 166   // Roughness is authored as perceptual roughness; as is convention,
 167   // convert to material roughness by squaring the perceptual roughness [2].
 168   perceptualRoughness = clamp(perceptualRoughness, c_MinRoughness, 1.0);
 169
 170   // Material ior
 171   lowp vec3 f0 = vec3(uDielectricSpecular);
 172
 173   // Material Specular
 174   float specularWeight = 1.0;
 175   vec4 materialSpecularTexture = vec4(1.0);
 176 #ifdef MATERIAL_SPECULAR_TEXTURE
 177   materialSpecularTexture.a = texture(sSpecular, vUV).a;
 178 #endif
 179 #ifdef MATERIAL_SPECULAR_COLOR_TEXTURE
 180   materialSpecularTexture.rgb = texture(sSpecularColor, vUV).rgb;
 181 #endif
 182   specularWeight = uSpecularFactor * materialSpecularTexture.a;
 183   f0 = min(f0 * uSpecularColorFactor * materialSpecularTexture.rgb, vec3(1.0));
 184   f0 = mix(f0, baseColor.rgb, metallic);
 185
 186   mediump vec3 v = normalize(vPositionToCamera); // Vector from surface point to camera
 187   mediump float NdotV = clamp(abs(dot(n, v)), 0.001, 1.0);
 188   mediump vec3 reflection = -normalize(reflect(v, n));
 189   lowp vec3 brdf = texture(sbrdfLUT, vec2(NdotV, 1.0 - perceptualRoughness)).rgb;
 190   vec3 Fr = max(vec3(1.0 - perceptualRoughness), f0) - f0;
 191   vec3 k_S = f0 + Fr * pow(1.0 - NdotV, 5.0);
 192   vec3 FssEss = specularWeight * (k_S * brdf.x + brdf.y);
 193
 194   // Specular Light
 195   // uMaxLOD that means mipmap level of specular texture is used for bluring of reflection of specular following roughness.
 196   float lod = perceptualRoughness * (uMaxLOD - 1.0);
 197   lowp vec3 specularLight = linear(textureLod(sSpecularEnvSampler, reflection * uYDirection, lod).rgb);
 198   lowp vec3 specular = specularLight * FssEss;
 199
 200   // Diffuse Light
 201   lowp vec3 diffuseColor = mix(baseColor.rgb, vec3(0), metallic);
 202   lowp vec3 irradiance = linear(texture(sDiffuseEnvSampler, n * uYDirection).rgb);
 203   float Ems = (1.0 - (brdf.x + brdf.y));
 204   vec3 F_avg = specularWeight * (f0 + (1.0 - f0) / 21.0);
 205   vec3 FmsEms = Ems * FssEss * F_avg / (1.0 - F_avg * Ems);
 206   vec3 k_D = diffuseColor * (1.0 - FssEss + FmsEms);
 207   lowp vec3 diffuse = (FmsEms + k_D) * irradiance;
 208
 209   lowp vec3 color = (diffuse + specular) * uIblIntensity;
 210
 211   // Punctual Light
 212   if(uLightCount > 0)
 213   {
 214     // Compute reflectance.
 215     lowp float reflectance = max(max(f0.r, f0.g), f0.b);
 216     lowp float reflectance90 = clamp(reflectance * 25.0, 0.0, 1.0);
 217     lowp float r = perceptualRoughness * perceptualRoughness;
 218     lowp float attenuationV = 2.0 * NdotV / (NdotV + sqrt(r * r + (1.0 - r * r) * (NdotV * NdotV)));
 219     mediump float roughnessSq = r * r;
 220     lowp vec3 diffuseColorPunctual = baseColor.rgb * (vec3(1.0) - f0);
 221     diffuseColorPunctual *= ( 1.0 - metallic );
 222
 223     for(int i = 0; i < uLightCount; ++i)
 224     {
 225       highp vec3 l = normalize(-uLightDirection[i]); // Vector from surface point to light
 226       mediump vec3 h = normalize(l+v);               // Half vector between both l and v
 227       mediump float VdotH = dot(v, h);
 228       lowp vec3 specularReflection = f0 + (reflectance90 - f0) * pow(clamp(1.0 - VdotH, 0.0, 1.0), 5.0);
 229
 230       mediump float NdotL = clamp(dot(n, l), 0.001, 1.0);
 231       lowp float attenuationL = 2.0 * NdotL / (NdotL + sqrt(r * r + (1.0 - r * r) * (NdotL * NdotL)));
 232       lowp float geometricOcclusion = attenuationL * attenuationV;
 233
 234       highp float NdotH = dot(n, h);
 235       highp float f = (NdotH * roughnessSq - NdotH) * NdotH + 1.0;
 236       lowp float microfacetDistribution = roughnessSq / (M_PI * f * f);;
 237
 238       // Calculation of analytical lighting contribution
 239       lowp vec3 diffuseContrib = ( 1.0 - specularReflection ) * ( diffuseColorPunctual / M_PI );
 240       lowp vec3 specContrib = specularReflection * geometricOcclusion * microfacetDistribution / ( 4.0 * NdotL * NdotV );
 241
 242       // Obtain final intensity as reflectance (BRDF) scaled by the energy of the light (cosine law)
 243       color += NdotL * uLightColor[i] * (diffuseContrib + specContrib);
 244     }
 245   }
 246
 247 #ifdef OCCLUSION
 248   lowp float ao = texture(sOcclusion, vUV).r;
 249   color = mix(color, color * ao, uOcclusionStrength);
 250 #endif // OCCLUSION
 251
 252 #ifdef EMISSIVE_TEXTURE
 253   lowp vec3 emissive = linear(texture(sEmissive, vUV).rgb) * uEmissiveFactor;
 254 #else
 255   lowp vec3 emissive = uEmissiveFactor;
 256 #endif // EMISSIVE_TEXTURE
 257   color += emissive;
 258
 259   FragColor = vec4(pow(color, vec3(1.0 / 2.2)), baseColor.a) * uColor;
 260 }