GLSL.Refract & Reflect & Diffraction

GLSL.Refract & Reflect & Diffraction

一、Refract & Reflect  
Snell定律描述了光线从一个介质传播到另外一个介质时，入射角、折射角以及介质折射率的关系。通过snell定律，可以根据入射光的方向向量求取折射光的方向向量。
Fresnel定律完善了光的衍射理论，当光线到达材质交界面时，一部分光被反射，另外一部分发生折射，这个现象被称为Fresnel Effect。菲涅尔现象混合了反射与折射，使得物体更加真实，理论物理中的Fresnel公式很复杂，因而在实时计算机图形学中，只要在最终效果上满足人们的视觉感受就可以了。在Cook-Torrance光照模型中计算specular光的rough surface时用到了Fresnel系数。
   F = f + (1-f) * (1 - V · H) ^FresnelPower
其中f入射角为0时的菲涅尔反射系数，V视角向量，H半向量；
 color = factor * 反射光颜色 + (1 - factor) * 折射光颜色

Snell中的折射率本质上反映的是光在介质中传播速度以及折射方向；
Fresnel中折射系系数反映的是光在透明介质表面被折射的光通量的比率；
这些可以模拟水表面的折射与反射现象等等

Vertex shader:

 1 const   float  Eta = 0.6 ;
 2 const   float  FresnelPower = 5.0 ;
 3 const   float  F = (( 1.0 - Eta) * ( 1.0 - Eta)) / (( 1.0 + Eta) * ( 1.0 + Eta));
 4 varying vec3 Reflect;
 5 varying vec3 Refract;
 6 varying  float  Ratio;
 7 void  main( void ) {
 8
 9    vec4 ecposition = gl_ModelViewMatrix* gl_Vertex;
10    vec3 ecposition3 = ecposition.xyz/ecposition.w;
11    vec3 i = normalize(ecposition3);
12    vec3 n = normalize(gl_NormalMatrix*gl_Normal);
13    Ratio = F + (1.0-F) * pow(1.0 - dot(i, n),FresnelPower);
14    
15    Refract = refract(i,n,Eta);
16    Refract = vec3(gl_TextureMatrix[0] * vec4(Refract,1.0));
17
18    Reflect = reflect(i,n);
19    Reflect = vec3(gl_TextureMatrix[1] * vec4(Reflect,1.0));
20
21    gl_Position = ftransform();  
22}

Frag Shader:

 1 varying vec3 Reflect;
 2 varying vec3 Refract;
 3 varying  float  Ratio;
 4 uniform sampler2d tex;
 5 void  main( void ) {
 6    vec3 refractColor = vec3 (texture2D(tex,Refract));
 7    vec3 reflectColor = vec3 (texture2D(tex,Reflect)); 
 8    vec3 Color = mix(refractColor, reflectColor, Ratio);
 9     gl_FragColor = vec4( Color,1.0);
10}
11  

如果要突出某种颜色RGB，产生色散，可以分离折射的rgb值，得到另外一种效果：

 1 const   float  EtaR = 0.3 ;
 2 const   float  EtaG = 0.67 ;
 3 const   float  EtaB = 0.9 ;
 4 varying vec3 RefractR;
 5 varying vec3 RefractG;
 6 varying vec3 RefractB;
 7
 8 RefractR  =  refract(i,n,EtaR);
 9     RefractR  =  vec3(gl_TextureMatrix[ 0 ]  *  vec4(RefractR, 1.0 ));
10
11     RefractG  =  refract(i,n,EtaG);
12     RefractG  =  vec3(gl_TextureMatrix[ 0 ]  *  vec4(RefractG, 1.0 ));
13     
14     RefractB  =  refract(i,n,EtaB);
15     RefractB  =  vec3(gl_TextureMatrix[ 0 ]  *  vec4(RefractB, 1.0 ));

1     vec3 refractColor ;
2         refractColor.r =  vec3 (texture2D(tex,RefractR));
3         refractColor.g =  vec3 (texture2D(tex,RefractG));
4         refractColor.b =  vec3 (texture2D(tex,RefractB));

二、Diffraction
GPU Gem1里面有一章讲解
光的衍射：光在传播过程中，遇到透明或者不透明的障碍物，绕过障碍物产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。
当表面的细节比光的波长小很多时，对于这些小尺寸的细节，例如CD，波效应就不能忽略，
shader一般步骤是：先把可见光的波长转换到0~1之间，计算半向量在切线的投影来计算u,
原理不是很懂
就这样吧。。
vertex shader

 1 uniform vec3 eyeposition;
 2 uniform vec3 lightposition;
 3 vec4  HighlightColor = ( 1.0 , 1.0 , 1.0 , 1.0 );
 4 varying vec4 Color;
 5 attribute vec3 Tangent;
 6 vec3 lambda2rgb( float  lambda) {
 7     const float ultraviolet =400.0; 
 8    const float infrared =700.0;     
 9    //转换可见光到0~1
10    float a = (lambda - ultraviolet)/(infrared - ultraviolet); 
11    const float c = 10.0; //图的宽度
12    vec3 b = vec3(a) - vec3(0.75,0.5,0.25);
13    return max((1.0 - c*b*b), 0.0);
14}
15 void  main( void ) {
16    vec3 objPosition = vec3 (gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex);
17    vec3 Normal = normalize (gl_NormalMatrix * gl_Normal);
18    vec3 LightDir = normalize (lightposition - objPosition);
19    vec3 EyeDir = normalize (eyeposition - objPosition);
20    vec3 HalfVec = normalize (LightDir + EyeDir);
21
22   vec3 T=normalize(gl_NormalMatrix * Tangent);
23   float u = abs(dot(T, HalfVec));
24
25   vec3 diffColor=vec3(0.0);
26
27   const int numspectralorders=3;
28   for(int m=1; m<=numspectralorders;++m){
29       float lambda =660 * u / float(m);
30        diffColor += lambda2rgb(lambda);
31   }
32
33   float w = dot(Normal , HalfVec);
34   float e = 2 * u / w;
35   vec3 hilight = exp(-e * e) * HighlightColor.rgb;
36
37
38   const float diffAtten = 0.8; 
39   Color = vec4(diffAtten * diffColor + hilight, 1.0);
40  
41    gl_Position = ftransform();
42
43    
44}

Frag shader

1 varying vec4 Color;
2 void  main( void )
3 {
4   gl_FragColor =Color ;
5}