ShaderX6 5.1

1. Rendering RealisticRendering Realistic IceIce ObjectsObjects
ShaderX6 5.1 – Anders Nivfors
http://cafe.naver.com/shader
임용균 (guardin@naver.com)

2. Ice Objects?!?

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

4. Adding Cracks
• Cracks?
▫ 얼음이 0 도 보다 높은 환경에 있을 때 내부가 깨지는
현상
▫ Crack 은 얼음 안에 밝게 곡면으로 나타난다 .
Crack 현상이 강함 Crack 현상이 약함

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

6. 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;

7. Adding Cracks
• Crack objects Clipping
▫ Our Method (Continued…)
 Crack object 를 렌더링 하면서 depth 값이 위의 depth buffer 들
을 샘플링 한 사이값이 아니면 pixel 을 렌더링 하지 않는다 .

8. 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 .

9. 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 point
가 있으므로 Reflection 보다는 복잡하다 .
 가장 쉽고 저렴한 Refraction 은 front-facing surface 에만 적
용하는 것인데 품질이 좋지 않다 .
One point
Refraction
Two point
Refraction

10. 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 이
용해 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)

11. 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 Map
RGB
Mask Map
Grayscale

12. Conclusion

13. Shader Code – IceCrackDepth
FragOut 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 coordinates
half4 bumpCol = tex2D(bumpMap, IN.tCoords.xy); //get bumpmap value
//normalize vectors, and displace normal with bumpmap
IN.normal = normalize(IN.normal - bumpCol.xyz*bumpStrength);
IN.viewVec = normalize(IN.viewVec);
IN.lightVec = normalize(IN.lightVec.xyz);
//calculate reflection and refraction vectors
half3 reflectVec = reflect(IN.viewVec, IN.normal);
//calculate specular highlight
half 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;
}

14. Shader Code – IceFinal
FragOut 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 index
uniform half bumpStrength, //how much impact the bumpmap have on the normals
uniform half backSideRefr) //how much the backside's normals will affect the refraction
{
FragOut OUT;
//calculate screen space texture coordinates
half2 texCoordsProj = 0.5 * (IN.vertPos.xy/IN.vertPos.z) + 0.5;
//get bumpmap value
half3 bumpCol = tex2D(bumpMap, IN.tCoords.xy);
//get bumpmap mask value
half3 bumpMaskCol = tex2D(bumpMask, IN.tCoords.xy);
//get backside normals
half3 backsideNormal = 2*tex2D(backSide, texCoordsProj) - 1;
//normalize vectors, and displace normal with bumpmap
backsideNormal = normalize(backsideNormal);
IN.normal = normalize(IN.normal - bumpCol*bumpStrength*bumpMaskCol);
IN.viewVec = normalize(IN.viewVec);
IN.lightVec = normalize(IN.lightVec);
//calculate reflection and refraction vectors
half3 reflectVec = reflect(IN.viewVec, IN.normal);
half3 refractVec = refract(IN.viewVec, IN.normal*(1.0-backSideRefr)-backsideNormal*backSideRefr, eta);

15. Shader Code – IceFinal (Continued…)
//calculate specular highlight
half spec = pow(clamp(dot(IN.lightVec.xyz, -reflectVec), 0.0, 1.0), 20.0);
half3 specCol = spec;
//fetch cubemap-texture color values
half3 refrCol = texCUBE(envMap, refractVec);
half3 reflCol = texCUBE(envMap, reflectVec);
//fetch cracks texture color value, distort the texcoords with the worldspace normal of the surface
half3 crackCol = tex2D(cracks, texCoordsProj - 0.013*IN.normal.xy);
//fetch air core texture color value, distort the texcoords with the worldspace normal of the surface
half3 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 + specular
OUT.col.rgb = (((crackCol+refrCol)*(1.0-coreCol.x)+coreCol)*(1.0-IN.fresnelVal) + reflCol*(IN.fresnelVal) +
bumpCol.rrr*texColMask)*0.88 + specCol;
return OUT;
}