16/shaders/lighting.frag

#version 420 core 

in vec2 texCoord;

layout(std140, binding = 0) uniform Camera
{
    mat4 projection;
    mat4 view;
    vec3 position;
} camera;

struct LightData
{
    vec3 position;
    vec3 color;
    vec3 attenuation;
    vec4 direction_angle;
    mat4 vp[6];
};

layout(std140, binding = 2) uniform Light
{
    LightData data[64];
    int count;
} light_f;

layout(std140, binding = 3) uniform Sun
{
    vec3 direction;
    vec3 color;
    mat4 vp[4];
} sun;

uniform float camera_cascade_distances[4]; // Размер массива должен соответствовать количеству каскадов

uniform sampler2D gPosition;
uniform sampler2D gNormal;
uniform sampler2D gDiffuseP;
uniform sampler2D gAmbientSpecular;
uniform sampler2DArray sunShadowDepth;
uniform samplerCubeArray pointShadowDepth;
uniform sampler2D ssao;

layout(std140, binding = 4) uniform gamma
{
    float inv_gamma;
};

out vec4 color; 

void main() 
{ 
    // Получим данные из текстур буфера
    vec3 fragPos = texture(gPosition, texCoord).rgb;
    vec3 N = texture(gNormal, texCoord).rgb;
    vec3 kd = texture(gDiffuseP, texCoord).rgb;
    vec3 ka = texture(gAmbientSpecular, texCoord).rgb;
    float ks = texture(gAmbientSpecular, texCoord).a;
    float p = texture(gDiffuseP, texCoord).a;
    float ssao_value = texture(ssao, texCoord).r;
    
    // Переменные используемые в цикле:
    vec3 L_vertex; // Данные об источнике относительно фрагмента
    vec3 Cam_vertex = normalize(camera.position - fragPos); // Данные о камере относительно фрагмента
    float diffuse; // Диффузная составляющая
    vec3 H; // Вектор половины пути
    float specular; // Зеркальная составляющая
    float L_distance; // Расстояние от поверхности до источника
    float attenuation; // Коэф. угасания
    float acosA; // Косинус между вектором от поверхности к источнику и обратным направлением источника
    float intensity; // Интенсивность для прожектора
    vec3 fragPosLightSpace; // Фрагмент в пространстве источника
    float shadowValue; // Значение затененности
    vec2 texelSize = 1.0 / textureSize(sunShadowDepth, 0).xy; // Размер текселя текстуры теней
    int x, y, z; // Счетчик для PCF
    float pcfDepth; // Глубина PCF
    float cubemap_offset = 0.05f; // Отступ в текстурных координатах для PCF
    float cubemap_depth; // Дистанция между фрагментом и источником в диапазоне [0;1]

    vec4 fragPosCamSpace = camera.view * vec4(fragPos, 1); // Фрагмент в пространстве камеры
    int cascade_index; // Индекс текущего каскада для вычисления теней

    // Определение индекса каскада в который попадает фрагмент (цикл на 1 меньше чем кол-во каскадов)
    for (cascade_index = 0; cascade_index < 3; cascade_index++)
        if (abs(fragPosCamSpace.z) < camera_cascade_distances[cascade_index])
            break;

    // Фоновая освещенность
    color = vec4(ka, 1) * ssao_value;
   
    // Расчет солнца, если его цвет не черный
    if (length(sun.color) > 0)
    {
        // Расположение фрагмента в координатах теневой карты
        fragPosLightSpace = (sun.vp[cascade_index] * vec4(fragPos, 1.0)).xyz;
        // Переход от [-1;1] к [0;1]
        fragPosLightSpace = (fragPosLightSpace + vec3(1.0)) / 2;
        // Сдвиг для решения проблемы акне
        fragPosLightSpace.z -= max(0.05 * (1.0 - dot(N, sun.direction)), 0.005);
        // Проверка PCF
        shadowValue = 0.0;
        for(x = -1; x <= 1; ++x)
        {
            for(y = -1; y <= 1; ++y)
            {
                pcfDepth = texture(sunShadowDepth, vec3(fragPosLightSpace.xy + vec2(x, y) * texelSize, cascade_index)).r;
                shadowValue += fragPosLightSpace.z > pcfDepth  ? 1.0 : 0.0;        
            }
        }
        shadowValue /= 9;
        // Рассчитываем освещенность, если значение тени меньше 1
        if (shadowValue < 1.0)
        {
            // Данные об источнике относительно фрагмента
            L_vertex = normalize(sun.direction);
            // Диффузная составляющая
            diffuse = max(dot(L_vertex, N), 0.0); // скалярное произведение с отсеканием значений < 0
            
            // Вектор половины пути
            H = normalize(L_vertex + Cam_vertex);
            // Зеркальная составляющая
            specular = pow(max(dot(H, N), 0.0), p*4); // скалярное произведение с отсеканием значений < 0 в степени p
            // Результирующий цвет с учетом солнца
            color += (  vec4(sun.color*kd*diffuse,  1)  
                      + vec4(sun.color*ks*specular, 1) ) * (1.0 - shadowValue);
        }
    }

    // Цикл по источникам света
    int i;
    for (i = 0; i < light_f.count; i++)
    {
        // Обнулим значение тени
        shadowValue = 0;
        // Позиция фрагмента относительно источника
        fragPosLightSpace = fragPos - light_f.data[i].position;
        // Дистанция между фрагментом и источником в диапазоне [0;1]
        cubemap_depth = length(fragPosLightSpace) / light_f.data[i].attenuation.r;
        // Сдвиг для решения проблемы акне
        cubemap_depth -= max(0.05 * (1.0 - dot(N, light_f.data[i].direction_angle.xyz)), 0.005);
        for(x = -1; x <= 1; ++x)
        {
            for(y = -1; y <= 1; ++y)
            {
                for(z = -1; z <= 1; ++z)
                {
                    // Значение из кубической текстуры с учетом источника (i)
                    pcfDepth = texture(pointShadowDepth, vec4(fragPosLightSpace + vec3(x, y, z)*cubemap_offset, i)).r; 
                    if(cubemap_depth > pcfDepth)
                        shadowValue += 1.0;
                }
            }
        }
        shadowValue /= (27);
        if (shadowValue < 1.0)
        {
            // Данные об источнике относительно фрагмента
            L_vertex = light_f.data[i].position - fragPos;

            // Расстояние от поверхности до источника
            L_distance = length(L_vertex);
            
            // Проверка на дистанцию
            if (L_distance < light_f.data[i].attenuation.r)
            {
                // Нормирование вектора
                L_vertex = normalize(L_vertex);
                // арккосинус между вектором от поверхности к источнику и обратным направлением источника
                acosA = degrees(acos(dot(-L_vertex, normalize(light_f.data[i].direction_angle.xyz))));
                // Если угол меньше угла источника или угол источника минимален, то считаем освещенность
                if(acosA <= light_f.data[i].direction_angle.a) 
                {
                    // Диффузная составляющая
                    diffuse = max(dot(L_vertex, N), 0.0); // скалярное произведение с отсеканием значений < 0
                    
                    // Вектор половины пути
                    H = normalize(L_vertex + Cam_vertex);
                    // Зеркальная составляющая
                    specular = pow(max(dot(H, N), 0.0), p*4); // скалярное произведение с отсеканием значений < 0 в степени p

                    // Угасание с учетом расстояния
                    attenuation = 1 / (1 + light_f.data[i].attenuation[1] * L_distance + light_f.data[i].attenuation[2] * L_distance * L_distance);

                    // Если источник - прожектор, то добавим смягчение
                    if (light_f.data[i].direction_angle.a < 180)
                    {
                        intensity = clamp((light_f.data[i].direction_angle.a - acosA) / 5, 0.0, 1.0);  
                        diffuse  *= intensity;
                        specular *= intensity;
                    }

                    color += ( vec4(light_f.data[i].color*kd*diffuse  * attenuation, 1) 
                              + vec4(light_f.data[i].color*ks*specular * attenuation, 1) )  * (1.0 - shadowValue);
                }
            }
        }
    }

    // Применение гамма-коррекции
    color.rgb = pow(color.rgb, vec3(inv_gamma));
}