Rendering Realistic Rendering Realistic IceIce Objects ObjectsShaderX6 5.1 – Anders Nivfors

http://cafe.naver.com/shader임용균 (guardin@naver.com)

Ice Objects?!?

Method Overview• Cracks• Air bubbles and particles• Reflections of light sources and the environment• two-sided refraction• Bump mapping• Bump masking

Adding Cracks• Cracks?

▫ 얼음이 0도 보다 높은 환경에 있을 때 내부가 깨지는 현상

▫ Crack 은 얼음 안에 밝게 곡면으로 나타난다 .

Crack 현상이 강함 Crack 현상이 약함

Adding Cracks• Approximation▫ 별도의 Crack Mesh 를 만든다 .

범용적 용도의 Crack Model 을 여러 개 만든다 . 모델마다 Crack Mesh 에 임의의 회전 값과 포지션 값을 적용한다 .

▫ Crack Mesh 를 bump-mapped specular 만 계산하여 렌더링 Specular 가 일어나지 않는 부분은 완전히 투명 Backface culling 을 끄고 렌더링 FBO(Frame Buffer Object) 를 이용하여 텍스쳐에 렌더링

Adding Cracks• Crack objects Clipping▫ Crack mesh 가 모델 안에 완전히 fit 되지 않는 문제가 있다 .▫ Screen space CSG(Constructive Solid Geometry) 를 응용

Boolean Difference Stencil Buffer 를 두 번째 depth buffer 로 사용

▫ Our Method Ice object 의 front-facing surface 의 depth 값과 back-facing surface 의 depth 값을 텍스쳐에 기록한다 . 최적 해상도의 depth buffer 구하기▫ v – 카메라에서 ice object 의 중심으로의 벡터의 길이▫ d – ice object 바운딩 박스의 대각의 길이▫ Near plane = v – d / 2.0;▫ Far plane = v + d / 2.0;

Adding Cracks• Crack objects Clipping▫ Our Method (Continued…)

Crack object 를 렌더링 하면서 depth 값이 위의 depth buffer 들을 샘플링 한 사이값이 아니면 pixel 을 렌더링 하지 않는다 .

Air in the Ice• Air bubble▫ 얼음이 흰색인 이유는 얼음 안에 공기가 들어 있기 때문▫ 얼음의 중심으로 갈 수록 밀도가 늘어난다 .• Approximation▫ 볼륨감 있는 air core 를 만들려면 아래와 같은 two-sided, semi-transparent 텍스쳐를 10~15 번 정도 텍스쳐에 렌더링 한다 . Ice object 의 중심에서 임의의 회전값을 적용 한다 .

Reflection and Two-sided Refraction

• Reflection Rl = 2.0*(V N)N - V∙▫ Cubic environment maps (cube maps)

• Two-sided Refraction Rr = 0.5*(V-N)N - V▫ Light refract 는 entry point 와 exit point 의 두 point가 있으므로 Reflection 보다는 복잡하다 . 가장 쉽고 저렴한 Refraction 은 front-facing surface 에만 적용하는 것인데 품질이 좋지 않다 .

One point Refraction

Two point Refraction

Reflection and Two-sided Refraction

• Two-sided Refraction (Continued…)▫ Ice object 의 back-side normal 정보가 필요

shader 를 이용해 back-facing face 들의 normal 을 텍스쳐에 렌더링 퍼포먼스 오버헤드를 줄이기 위해 FBO 를 사용한다 .

▫ 한 픽셀의 front/back-side normal 정보가 있으므로 두 정보를 이용해 새로운 normal 값을 구한다 . (weight = 0.33) half3 newNormal = normal * (1.0 – weight) – backSideNormal *

weight; 물리적으로 맞는 연산은 아니지만 퍼포먼스와의 Tradeoff Ice 는 크게 왜곡되는 재질이므로 이상하지 않다 .

• Mix the reflection and refraction▫ approximation Fresnel team f = (1.0 - |V N|)^3∙

V = Eye vector, N = Normal vector▫ Mixed = RefractionColor*f + ReflectionColor*(1.0-f)

Environment Bump Mapping and Masking

• Bump Mapping▫ Ice 는 크게 왜곡되는 재질이므로 bump map 을 이용하여 detail 을 향상시키고 일관되게 보이지 않게 한다 .

• Bump Masking▫ Normal map 을 적용할지를 결정하는 grayscale texture▫ 표면을 일관적이지 않게 나타내고 small crack 을 나타낸다 .

Bump MapRGB

Mask MapGrayscale

Conclusion

Shader Code – IceCrackDepthFragOut mainF(VertOut IN, uniform sampler2D bumpMap, uniform sampler2D depthTexFF, uniform sampler2D depthTexBF,

float4 winpos : WPOS, uniform half bumpStrength){

FragOut OUT;half2 texCoordsProj = 0.5 * (IN.vertPos.xy/IN.vertPos.z) + 0.5; //calculate screen space texture coordinateshalf4 bumpCol = tex2D(bumpMap, IN.tCoords.xy); //get bumpmap value//normalize vectors, and displace normal with bumpmapIN.normal = normalize(IN.normal - bumpCol.xyz*bumpStrength);IN.viewVec = normalize(IN.viewVec);IN.lightVec = normalize(IN.lightVec.xyz);//calculate reflection and refraction vectorshalf3 reflectVec = reflect(IN.viewVec, IN.normal);//calculate specular highlighthalf spec = pow(clamp(dot(IN.lightVec.xyz, -reflectVec), 0.0, 1.0), 20.0);half3 specCol = spec;//DEPTH TEST (don't draw pixels outside the ice model)half4 depthFFCol = tex2D(depthTexFF, texCoordsProj);half4 depthBFCol = tex2D(depthTexBF, texCoordsProj);//if outside the model, draw nothing (alpha=0)half alpha = 1.0;if(winpos.z<depthFFCol.b || winpos.z>depthBFCol.b)

alpha = 0.0;OUT.col.xyz = specCol + bumpCol.xxx*0.05;OUT.col.a = alpha;return OUT;

}

Shader Code – IceFinalFragOut mainF(VertOut IN, uniform sampler2D backSide, uniform sampler2D bumpMask, uniform sampler2D bumpMap,

uniform samplerCUBE envMap, uniform sampler2D cracks, uniform sampler2D core,uniform half eta, //relative refraction indexuniform half bumpStrength, //how much impact the bumpmap have on the normalsuniform half backSideRefr) //how much the backside's normals will affect the refraction

{FragOut OUT;//calculate screen space texture coordinateshalf2 texCoordsProj = 0.5 * (IN.vertPos.xy/IN.vertPos.z) + 0.5;//get bumpmap valuehalf3 bumpCol = tex2D(bumpMap, IN.tCoords.xy);//get bumpmap mask valuehalf3 bumpMaskCol = tex2D(bumpMask, IN.tCoords.xy);//get backside normalshalf3 backsideNormal = 2*tex2D(backSide, texCoordsProj) - 1;//normalize vectors, and displace normal with bumpmapbacksideNormal = normalize(backsideNormal);IN.normal = normalize(IN.normal - bumpCol*bumpStrength*bumpMaskCol);IN.viewVec = normalize(IN.viewVec);IN.lightVec = normalize(IN.lightVec);

//calculate reflection and refraction vectorshalf3 reflectVec = reflect(IN.viewVec, IN.normal);half3 refractVec = refract(IN.viewVec, IN.normal*(1.0-backSideRefr)-backsideNormal*backSideRefr, eta);

Shader Code – IceFinal (Continued…)

//calculate specular highlighthalf spec = pow(clamp(dot(IN.lightVec.xyz, -reflectVec), 0.0, 1.0), 20.0);half3 specCol = spec;

//fetch cubemap-texture color valueshalf3 refrCol = texCUBE(envMap, refractVec);half3 reflCol = texCUBE(envMap, reflectVec);

//fetch cracks texture color value, distort the texcoords with the worldspace normal of the surfacehalf3 crackCol = tex2D(cracks, texCoordsProj - 0.013*IN.normal.xy);

//fetch air core texture color value, distort the texcoords with the worldspace normal of the surfacehalf3 coreCol = tex2D(core, texCoordsProj - 0.02*IN.normal.xy);

half3 texColMask = half3(0.15, 0.15, 0.2);

// {[what you see through the ice * mix val.] + [reflection*mix val.] + [texture color from the bumpmap]}*0.9 + specularOUT.col.rgb = (((crackCol+refrCol)*(1.0-coreCol.x)+coreCol)*(1.0-IN.fresnelVal) + reflCol*(IN.fresnelVal) +

bumpCol.rrr*texColMask)*0.88 + specCol;

return OUT;}