feat: Add screen-space god rays implementation
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src/rendering/screen-space-god-rays.ts
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425
src/rendering/screen-space-god-rays.ts
Normal file
@@ -0,0 +1,425 @@
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import {
|
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BasicDepthPacking,
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Color,
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ShaderMaterial,
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Texture,
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Uniform,
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Vector2,
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Vector3,
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type DepthPackingStrategies,
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type PerspectiveCamera,
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||||||
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type WebGLRenderer,
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type WebGLRenderTarget
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} from "three";
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import { Pass } from "postprocessing";
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import type { Vec3 } from "../core/vector";
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import type {
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AdvancedRenderingGodRaysSettings,
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AdvancedRenderingSettings,
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WorldSunLightSettings
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} from "../document/world-settings";
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const MIN_CELESTIAL_LIGHT_INTENSITY = 1e-4;
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const MAX_GOD_RAYS_INTENSITY = 3;
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const MAX_GOD_RAYS_EXPOSURE = 2;
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const MAX_GOD_RAYS_DENSITY = 1.5;
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const MIN_GOD_RAYS_SAMPLES = 8;
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const MAX_GOD_RAYS_SAMPLES = 64;
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const LIGHT_OFFSCREEN_FADE_START = 1;
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||||||
|
const LIGHT_OFFSCREEN_FADE_END = 1.35;
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export interface ResolvedGodRaysParameters {
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enabled: boolean;
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intensity: number;
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decay: number;
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exposure: number;
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density: number;
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samples: number;
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}
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export interface ScreenSpaceGodRaysLightSource {
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direction: Vec3 | null;
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colorHex: string;
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intensity: number;
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}
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export interface ScreenSpaceGodRaysLightProjection {
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screenPosition: {
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x: number;
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y: number;
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};
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visibility: number;
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}
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function clampNumber(value: number, min: number, max: number) {
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return Math.min(Math.max(value, min), max);
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}
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function finiteOr(value: number, fallback: number) {
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return Number.isFinite(value) ? value : fallback;
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|
}
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function smoothstep(edge0: number, edge1: number, value: number) {
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const t = clampNumber((value - edge0) / (edge1 - edge0), 0, 1);
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|
return t * t * (3 - 2 * t);
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|
}
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function isFiniteVec3(vector: Vec3 | null): vector is Vec3 {
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return (
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vector !== null &&
|
||||||
|
Number.isFinite(vector.x) &&
|
||||||
|
Number.isFinite(vector.y) &&
|
||||||
|
Number.isFinite(vector.z)
|
||||||
|
);
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|
}
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|
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export function createScreenSpaceGodRaysLightSource(): ScreenSpaceGodRaysLightSource {
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return {
|
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|
direction: null,
|
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|
colorHex: "#ffffff",
|
||||||
|
intensity: 0
|
||||||
|
};
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
export function syncScreenSpaceGodRaysLightSource(
|
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|
target: ScreenSpaceGodRaysLightSource,
|
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|
light: WorldSunLightSettings | null
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
if (
|
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|
light === null ||
|
||||||
|
light.intensity <= MIN_CELESTIAL_LIGHT_INTENSITY ||
|
||||||
|
!isFiniteVec3(light.direction)
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
target.direction = null;
|
||||||
|
target.colorHex = "#ffffff";
|
||||||
|
target.intensity = 0;
|
||||||
|
return;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
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|
target.direction = {
|
||||||
|
x: light.direction.x,
|
||||||
|
y: light.direction.y,
|
||||||
|
z: light.direction.z
|
||||||
|
};
|
||||||
|
target.colorHex = light.colorHex;
|
||||||
|
target.intensity = light.intensity;
|
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|
}
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|
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|
export function resolveGodRaysParameters(
|
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|
settings: AdvancedRenderingGodRaysSettings
|
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|
): ResolvedGodRaysParameters {
|
||||||
|
const intensity = clampNumber(
|
||||||
|
finiteOr(settings.intensity, 0),
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
MAX_GOD_RAYS_INTENSITY
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const decay = clampNumber(finiteOr(settings.decay, 0), 0, 1);
|
||||||
|
const exposure = clampNumber(
|
||||||
|
finiteOr(settings.exposure, 0),
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
MAX_GOD_RAYS_EXPOSURE
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const density = clampNumber(
|
||||||
|
finiteOr(settings.density, 0),
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
MAX_GOD_RAYS_DENSITY
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const samples = Math.round(
|
||||||
|
clampNumber(
|
||||||
|
finiteOr(settings.samples, MIN_GOD_RAYS_SAMPLES),
|
||||||
|
MIN_GOD_RAYS_SAMPLES,
|
||||||
|
MAX_GOD_RAYS_SAMPLES
|
||||||
|
)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
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||||||
|
return {
|
||||||
|
enabled:
|
||||||
|
settings.enabled &&
|
||||||
|
intensity > 0 &&
|
||||||
|
exposure > 0 &&
|
||||||
|
density > 0 &&
|
||||||
|
samples > 0,
|
||||||
|
intensity,
|
||||||
|
decay,
|
||||||
|
exposure,
|
||||||
|
density,
|
||||||
|
samples
|
||||||
|
};
|
||||||
|
}
|
||||||
|
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|
export function shouldApplyGodRays(settings: AdvancedRenderingSettings) {
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|
return settings.enabled && resolveGodRaysParameters(settings.godRays).enabled;
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|
}
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|
export function projectScreenSpaceGodRaysLight(
|
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|
camera: PerspectiveCamera,
|
||||||
|
lightSource: ScreenSpaceGodRaysLightSource
|
||||||
|
): ScreenSpaceGodRaysLightProjection | null {
|
||||||
|
if (
|
||||||
|
lightSource.intensity <= MIN_CELESTIAL_LIGHT_INTENSITY ||
|
||||||
|
!isFiniteVec3(lightSource.direction)
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
return null;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
const direction = new Vector3(
|
||||||
|
lightSource.direction.x,
|
||||||
|
lightSource.direction.y,
|
||||||
|
lightSource.direction.z
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
if (direction.lengthSq() <= 1e-8) {
|
||||||
|
return null;
|
||||||
|
}
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||||||
|
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|
direction.normalize();
|
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|
camera.updateMatrixWorld();
|
||||||
|
camera.updateProjectionMatrix();
|
||||||
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||||||
|
const cameraPosition = new Vector3().setFromMatrixPosition(
|
||||||
|
camera.matrixWorld
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const projectionDistance = Math.max(
|
||||||
|
camera.near + 1,
|
||||||
|
Math.min(camera.far * 0.5, 500)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const worldPosition = cameraPosition
|
||||||
|
.clone()
|
||||||
|
.add(direction.multiplyScalar(projectionDistance));
|
||||||
|
const viewPosition = worldPosition.clone().applyMatrix4(
|
||||||
|
camera.matrixWorldInverse
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
if (viewPosition.z >= -camera.near) {
|
||||||
|
return null;
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
const ndcPosition = worldPosition.clone().project(camera);
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||||||
|
|
||||||
|
if (
|
||||||
|
!Number.isFinite(ndcPosition.x) ||
|
||||||
|
!Number.isFinite(ndcPosition.y)
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
return null;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
const maxAxisDistance = Math.max(
|
||||||
|
Math.abs(ndcPosition.x),
|
||||||
|
Math.abs(ndcPosition.y)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const visibility =
|
||||||
|
1 -
|
||||||
|
smoothstep(
|
||||||
|
LIGHT_OFFSCREEN_FADE_START,
|
||||||
|
LIGHT_OFFSCREEN_FADE_END,
|
||||||
|
maxAxisDistance
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
if (visibility <= 0) {
|
||||||
|
return null;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
return {
|
||||||
|
screenPosition: {
|
||||||
|
x: ndcPosition.x * 0.5 + 0.5,
|
||||||
|
y: ndcPosition.y * 0.5 + 0.5
|
||||||
|
},
|
||||||
|
visibility
|
||||||
|
};
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
const vertexShader = `
|
||||||
|
varying vec2 vUv;
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||||||
|
|
||||||
|
void main() {
|
||||||
|
vUv = uv;
|
||||||
|
gl_Position = vec4(position.xy, 1.0, 1.0);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
`;
|
||||||
|
|
||||||
|
const fragmentShader = `
|
||||||
|
#include <packing>
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||||||
|
|
||||||
|
#define MAX_GOD_RAYS_SAMPLES 64
|
||||||
|
|
||||||
|
uniform sampler2D inputBuffer;
|
||||||
|
uniform sampler2D depthBuffer;
|
||||||
|
uniform vec2 lightPosition;
|
||||||
|
uniform vec3 lightColor;
|
||||||
|
uniform float sourceIntensity;
|
||||||
|
uniform float intensity;
|
||||||
|
uniform float decay;
|
||||||
|
uniform float exposure;
|
||||||
|
uniform float density;
|
||||||
|
uniform int sampleCount;
|
||||||
|
|
||||||
|
varying vec2 vUv;
|
||||||
|
|
||||||
|
float readDepth(const in vec2 uv) {
|
||||||
|
#if DEPTH_PACKING == 3201
|
||||||
|
return unpackRGBAToDepth(texture2D(depthBuffer, uv));
|
||||||
|
#else
|
||||||
|
return texture2D(depthBuffer, uv).r;
|
||||||
|
#endif
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
float readLuminance(vec3 color) {
|
||||||
|
return dot(color, vec3(0.2126, 0.7152, 0.0722));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void main() {
|
||||||
|
vec4 baseColor = texture2D(inputBuffer, vUv);
|
||||||
|
|
||||||
|
if (
|
||||||
|
sourceIntensity <= 0.0 ||
|
||||||
|
intensity <= 0.0 ||
|
||||||
|
exposure <= 0.0 ||
|
||||||
|
density <= 0.0 ||
|
||||||
|
sampleCount <= 0
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
gl_FragColor = baseColor;
|
||||||
|
return;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
vec2 delta = (lightPosition - vUv) * density / max(float(sampleCount), 1.0);
|
||||||
|
vec2 sampleUv = vUv;
|
||||||
|
vec3 accumulatedLight = vec3(0.0);
|
||||||
|
float illuminationDecay = 1.0;
|
||||||
|
|
||||||
|
for (int sampleIndex = 0; sampleIndex < MAX_GOD_RAYS_SAMPLES; ++sampleIndex) {
|
||||||
|
if (sampleIndex >= sampleCount) {
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
sampleUv += delta;
|
||||||
|
|
||||||
|
if (
|
||||||
|
sampleUv.x < 0.0 ||
|
||||||
|
sampleUv.x > 1.0 ||
|
||||||
|
sampleUv.y < 0.0 ||
|
||||||
|
sampleUv.y > 1.0
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
illuminationDecay *= decay;
|
||||||
|
continue;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
float depth = readDepth(sampleUv);
|
||||||
|
float backgroundMask = smoothstep(0.9975, 1.0, depth);
|
||||||
|
|
||||||
|
if (backgroundMask <= 0.0) {
|
||||||
|
illuminationDecay *= decay;
|
||||||
|
continue;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
vec3 sampleColor = texture2D(inputBuffer, sampleUv).rgb;
|
||||||
|
float luminance = readLuminance(sampleColor);
|
||||||
|
float brightness = smoothstep(0.025, 0.75, luminance);
|
||||||
|
float contribution = backgroundMask * (0.32 + brightness * 0.68) * illuminationDecay;
|
||||||
|
accumulatedLight += mix(lightColor, sampleColor, 0.35) * contribution;
|
||||||
|
illuminationDecay *= decay;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
vec3 shaftColor =
|
||||||
|
accumulatedLight *
|
||||||
|
exposure *
|
||||||
|
intensity *
|
||||||
|
sourceIntensity /
|
||||||
|
max(float(sampleCount), 1.0);
|
||||||
|
|
||||||
|
gl_FragColor = vec4(baseColor.rgb + shaftColor, baseColor.a);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
`;
|
||||||
|
|
||||||
|
export class ScreenSpaceGodRaysPass extends Pass {
|
||||||
|
private readonly sourceCamera: PerspectiveCamera;
|
||||||
|
private readonly lightSource: ScreenSpaceGodRaysLightSource;
|
||||||
|
private readonly parameters: ResolvedGodRaysParameters;
|
||||||
|
private readonly material: ShaderMaterial;
|
||||||
|
private readonly lightPosition = new Vector2(0.5, 0.5);
|
||||||
|
private readonly lightColor = new Color("#ffffff");
|
||||||
|
|
||||||
|
constructor(
|
||||||
|
camera: PerspectiveCamera,
|
||||||
|
lightSource: ScreenSpaceGodRaysLightSource,
|
||||||
|
parameters: ResolvedGodRaysParameters
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
super("ScreenSpaceGodRaysPass");
|
||||||
|
|
||||||
|
this.sourceCamera = camera;
|
||||||
|
this.lightSource = lightSource;
|
||||||
|
this.parameters = parameters;
|
||||||
|
this.needsDepthTexture = true;
|
||||||
|
|
||||||
|
this.material = new ShaderMaterial({
|
||||||
|
name: "ScreenSpaceGodRaysMaterial",
|
||||||
|
defines: {
|
||||||
|
DEPTH_PACKING: BasicDepthPacking.toFixed(0)
|
||||||
|
},
|
||||||
|
uniforms: {
|
||||||
|
inputBuffer: new Uniform<Texture | null>(null),
|
||||||
|
depthBuffer: new Uniform<Texture | null>(null),
|
||||||
|
lightPosition: new Uniform(this.lightPosition),
|
||||||
|
lightColor: new Uniform(this.lightColor),
|
||||||
|
sourceIntensity: new Uniform(0),
|
||||||
|
intensity: new Uniform(parameters.intensity),
|
||||||
|
decay: new Uniform(parameters.decay),
|
||||||
|
exposure: new Uniform(parameters.exposure),
|
||||||
|
density: new Uniform(parameters.density),
|
||||||
|
sampleCount: new Uniform(parameters.samples)
|
||||||
|
},
|
||||||
|
vertexShader,
|
||||||
|
fragmentShader,
|
||||||
|
depthWrite: false,
|
||||||
|
depthTest: false
|
||||||
|
});
|
||||||
|
this.fullscreenMaterial = this.material;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
override setDepthTexture(
|
||||||
|
depthTexture: Texture | null,
|
||||||
|
depthPacking: DepthPackingStrategies = BasicDepthPacking
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
this.material.uniforms.depthBuffer.value = depthTexture;
|
||||||
|
this.material.defines.DEPTH_PACKING = depthPacking.toFixed(0);
|
||||||
|
this.material.needsUpdate = true;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
override render(
|
||||||
|
renderer: WebGLRenderer,
|
||||||
|
inputBuffer: WebGLRenderTarget | null,
|
||||||
|
outputBuffer: WebGLRenderTarget | null
|
||||||
|
) {
|
||||||
|
if (inputBuffer === null) {
|
||||||
|
return;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
const projection = projectScreenSpaceGodRaysLight(
|
||||||
|
this.sourceCamera,
|
||||||
|
this.lightSource
|
||||||
|
);
|
||||||
|
const sourceIntensity =
|
||||||
|
projection === null
|
||||||
|
? 0
|
||||||
|
: Math.min(this.lightSource.intensity, 4) * projection.visibility;
|
||||||
|
|
||||||
|
if (projection !== null) {
|
||||||
|
this.lightPosition.set(
|
||||||
|
projection.screenPosition.x,
|
||||||
|
projection.screenPosition.y
|
||||||
|
);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
this.lightColor.set(this.lightSource.colorHex);
|
||||||
|
this.material.uniforms.inputBuffer.value = inputBuffer.texture;
|
||||||
|
this.material.uniforms.sourceIntensity.value = sourceIntensity;
|
||||||
|
this.material.uniforms.intensity.value = this.parameters.intensity;
|
||||||
|
this.material.uniforms.decay.value = this.parameters.decay;
|
||||||
|
this.material.uniforms.exposure.value = this.parameters.exposure;
|
||||||
|
this.material.uniforms.density.value = this.parameters.density;
|
||||||
|
this.material.uniforms.sampleCount.value = this.parameters.samples;
|
||||||
|
|
||||||
|
renderer.setRenderTarget(this.renderToScreen ? null : outputBuffer);
|
||||||
|
renderer.render(this.scene, this.camera);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
Reference in New Issue
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