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1 Bumpmapping-Shader

Bumpmapping-Shader

Beschreibung	Autor	Version
per-Pixel-Beleuchtung unter Zuhilfenahme einer Normalmap um einen Bumpmapping Effekt zu erzeugen.	Bergmann	1.0

Bilder

Die Originaltextur (Downloadvorlage)

Die Normalmap (Downloadvorlage)

Ergebnis

Beschreibung

Der Bumpmapping Shader basiert auf dem Per Pixel-Beleuchtung-Shader. Der Unterschied zu diesem besteht darin, das wir die Normale nicht einfach so benutzen, wie sie an den Shader übergeben wurde, sondern wir sie erst mit den Daten aus der NormalMap manipulieren müssen. Dazu basteln wir uns eine TBN Matrix aus der Sicht der Textur zusammen: x-Achse = Tangente, y-Achse = Bitangente und z-Achse = Normale.Die Berechnung der Vektoren erfolgt gemäß diesem Artikel.

Um weiter zu rechnen setzen wur nun die 3 Achsen zu einer Matrix zusammen:

mat3 M = mat3(T, B, N);

Um die Normale zu erzeugen, welche dann zur Lichtberechnung genutzt wird lesen wir zunächst die Daten aus der NormalMap. Da die Farbewerte immer im Bereich [0..1] liegen, eine Normale aber immer in alle Richtungen zeigen kann und nicht nur in die positiven, müssen wir von jedem Farbewert noch 0.5 abziehen und den Farbvektor dann normalisieren. Dann multiplizieren wir noch mit der zuvor erzeugten Matrix und der NormalMatrix:

vec3 normal = normalize((vec3(texture2D(Texture1, TexCoord)) - vec3(0.5, 0.5, 0.5)) * M);
normal = gl_NormalMatrix * normal;

Code

Vertexshader:

const int LIGHT_COUNT = 1;          //Anzahl der berücksichtigten Lichter
varying vec3 N;			    //NormalenVektor
varying vec3 V;			    //VertexVektor	
varying vec3 lightvec[LIGHT_COUNT]; //LichtVektor(en)
void main(void)
{
	gl_TexCoord[0]  = gl_MultiTexCoord0;
	N          	= normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
	V		= vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex);
	for(int i = 0; i < LIGHT_COUNT; i++){
		lightvec[i] = normalize(gl_LightSource[i].position.xyz - V);
	}
	gl_Position     = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex;
}

Fragmentshader:

const int LIGHT_COUNT = 1;
const float PI = 3.14159265;
varying vec3 N;
varying vec3 V;
varying vec3 lightvec[LIGHT_COUNT];
uniform sampler2D Texture0;
uniform sampler2D Texture1;

void main(void){
	vec2 TexCoord = vec2(gl_TexCoord[0]);
	vec3 Eye = normalize(-V); 

	vec3 q0 = dFdx(Eye.xyz);
	vec3 q1 = dFdy(Eye.xyz);
	vec2 st0 = dFdx(TexCoord.st);
	vec2 st1 = dFdy(TexCoord.st);
	
	vec3 S = normalize( q0 * st1.t - q1 * st0.t);
	vec3 T = normalize(-q0 * st1.s + q1 * st0.s);
	
	mat3 M = mat3(-T, -S, N);
	vec3 normal = normalize(M * (vec3(texture2D(Texture1, TexCoord)) - vec3(0.5, 0.5, 0.5)));
	
	vec4 EndColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	vec4 EndSpec  = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	for(int i = 0; i < LIGHT_COUNT; i++){
		vec3 Reflected = normalize(reflect(-lightvec[i], normal)); 
		vec4 IAmbient  = gl_LightSource[i].ambient  * gl_FrontMaterial.ambient;
		vec4 IDiffuse  = gl_LightSource[i].diffuse  * gl_FrontMaterial.diffuse  * max(dot(normal, lightvec[i]), 0.0);
		vec4 ISpecular = gl_LightSource[i].specular * gl_FrontMaterial.specular * pow(max(dot(Reflected, Eye), 0.0), gl_FrontMaterial.shininess);
		EndColor += (IAmbient+IDiffuse);
		EndSpec  += ISpecular;
	}
	EndColor += gl_FrontMaterial.emission;

	gl_FragColor = (gl_FrontLightModelProduct.sceneColor + EndColor + EndSpec) * texture2D(Texture0, TexCoord);
}

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 ==Beschreibung==
-Der Bumpmapping Shader basiert auf dem [[shader_PerPixelLighting|Per Pixel-Beleuchtung]]-Shader. Der Unterschied zu diesem besteht darin, das wir die Normale nicht einfach so benutzen, wie sie an den Shader übergeben wurde, sondern wir sie erst mit den Daten aus der NormalMap manipulieren müssen. Dazu basteln wir uns eine Matrix aus der Sicht der Textur zusammen basteln: x-Achse = Tangente, y-Achse = Bitangente und z-Achse = Normale. Zunächst berechnen wir aus den Ableitungen der TexturKoordinaten den Gradienten, dieser liegt auf der X-Y-Ebene (z = 0) und zeigt an in welche Richtung die Funktion am stärksten ansteigt. Demzufolge zeigt der Gradient in die selbe Richtung wie die Tangente, wenn man sie auf die X-Y-Ebene vereinfachen würde:
+Der Bumpmapping Shader basiert auf dem [[shader_PerPixelLighting|Per Pixel-Beleuchtung]]-Shader. Der Unterschied zu diesem besteht darin, das wir die Normale nicht einfach so benutzen, wie sie an den Shader übergeben wurde, sondern wir sie erst mit den Daten aus der NormalMap manipulieren müssen. Dazu basteln wir uns eine [[TBN Matrix]] aus der Sicht der Textur zusammen: x-Achse = Tangente, y-Achse = Bitangente und z-Achse = Normale.Die Berechnung der Vektoren erfolgt gemäß [http://hacksoflife.blogspot.com/2009/11/per-pixel-tangent-space-normal-mapping.html diesem Artikel].
-<source lang="glsl">vec2 TexCoord = vec2(gl_TexCoord[0]);
-vec3 G = normalize(vec3(dFdx(TexCoord.s), dFdy(TexCoord.t), 0.0));</source>
-Nun berechnen wir aus dem VektorProdukt von Gradient und Normale die Bitangente. Diese muss noch um 45° entgegen des Uhrzeigers um die Normale gedreht werden, dass das Licht dann auch aus der richtigen Richtung kommt. Die Normale muss nicht neu berechnet werden, da diese ja schon mit den Vertexdaten an den Shader übergeben wurde:
-<source lang="glsl">vec3 B = normalize(rotate(N, cross(N, G), -0.25*PI));</source>
-Die Tangente berechnet sich aus dem VektorPrordukt von Bitangente und Normale:
-<source lang="glsl">vec3 T = normalize(cross(B, N));</source>
 Um weiter zu rechnen setzen wur nun die 3 Achsen zu einer Matrix zusammen:
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 <source lang="glsl">vec3 normal = normalize((vec3(texture2D(Texture1, TexCoord)) - vec3(0.5, 0.5, 0.5)) * M);
 normal = gl_NormalMatrix * normal;</source>
 ==Code==
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 {
 	gl_TexCoord[0]  = gl_MultiTexCoord0;
-	N          	= normalize(gl_Normal);
+	N          	= normalize(gl_NormalMatrix * gl_Normal);
 	V		= vec3(gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex);
 	for(int i = 0; i < LIGHT_COUNT; i++){
@@ Zeile 62: / Zeile 50: @@
 Fragmentshader:
-<source lang="glsl">const float PI = 3.14159265;        //Pi, zur Berechnung der Rotation
+<source lang="glsl">const int LIGHT_COUNT = 1;
-const int LIGHT_COUNT = 1;          //Anzahl der berücksichtigten Lichter
+const float PI = 3.14159265;
-varying vec3 N;                     //NormalenVektor
+varying vec3 N;
-varying vec3 V;	                    //VertexVektor
+varying vec3 V;
-varying vec3 lightvec[LIGHT_COUNT]; //LichtVektor(en)
+varying vec3 lightvec[LIGHT_COUNT];
-uniform sampler2D Texture0;         //normale Textur
+uniform sampler2D Texture0;
-uniform sampler2D Texture1;         //NormalMap
+uniform sampler2D Texture1;
-//dreht einen Punkt um eine Achse im Raum
+void main(void){
-//@a: Achse um die gedreht wird
+	vec2 TexCoord = vec2(gl_TexCoord[0]);
-//@p: Punkt der gedreht werden soll
+	vec3 Eye = normalize(-V);
-//@rad: Winkel im BogenMaß
-vec3 rotate(vec3 a, vec3 p, float rad){
-	vec3 p1 = cos(rad) * p +
-         	  sin(rad) * cross(a, p);
-	return p1;
-}
-void main(void){
+	vec3 q0 = dFdx(Eye.xyz);
-	vec2 TexCoord = vec2(gl_TexCoord[0]);                              //TexturKoordinaten zwischenspeichern
+	vec3 q1 = dFdy(Eye.xyz);
-	vec3 G = normalize(vec3(dFdx(TexCoord.s), dFdy(TexCoord.t), 0.0)); //Gradient berechnen
+	vec2 st0 = dFdx(TexCoord.st);
-	vec3 B = normalize(rotate(N, cross(N, G), -0.25*PI));              //Bitangente berechnen
+	vec2 st1 = dFdy(TexCoord.st);
-	vec3 T = normalize(cross(B, N));                                   //Tangente berechnen
-	mat3 M = mat3(T, B, N);                                            //Werte zu Matrix zusammensetzen
+	vec3 S = normalize( q0 * st1.t - q1 * st0.t);
+	vec3 T = normalize(-q0 * st1.s + q1 * st0.s);
-        //normale aud den NormalMapDaten und den Matricen errechnen
+	mat3 M = mat3(-T, -S, N);
-	vec3 normal = normalize((vec3(texture2D(Texture1, TexCoord)) - vec3(0.5, 0.5, 0.5)) * M);
+	vec3 normal = normalize(M * (vec3(texture2D(Texture1, TexCoord)) - vec3(0.5, 0.5, 0.5)));
-	normal = gl_NormalMatrix * normal;
-        //Normale Lichtberechnung aus dem Per-Pixel-light-Shader
-	vec3 Eye = normalize(-V);
 	vec4 EndColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
+	vec4 EndSpec  = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
 	for(int i = 0; i < LIGHT_COUNT; i++){
 		vec3 Reflected = normalize(reflect(-lightvec[i], normal));
 		vec4 IAmbient  = gl_LightSource[i].ambient  * gl_FrontMaterial.ambient;
-		vec4 IDiffuse  = gl_LightSource[i].diffuse  * gl_FrontMaterial.diffuse  *
+		vec4 IDiffuse  = gl_LightSource[i].diffuse  * gl_FrontMaterial.diffuse  * max(dot(normal, lightvec[i]), 0.0);
-				 max(dot(normal, lightvec[i]), 0.0);
+		vec4 ISpecular = gl_LightSource[i].specular * gl_FrontMaterial.specular * pow(max(dot(Reflected, Eye), 0.0), gl_FrontMaterial.shininess);
-		vec4 ISpecular = gl_LightSource[i].specular * gl_FrontMaterial.specular *
+		EndColor += (IAmbient+IDiffuse);
-				 pow( max( dot(Reflected, Eye), 0.0), gl_FrontMaterial.shininess);
+		EndSpec  += ISpecular;
-		EndColor += (IAmbient+IDiffuse+ISpecular);
 	}
 	EndColor += gl_FrontMaterial.emission;
-	gl_FragColor = (gl_FrontLightModelProduct.sceneColor + EndColor) * texture2D(Texture0, TexCoord);
+	gl_FragColor = (gl_FrontLightModelProduct.sceneColor + EndColor + EndSpec) * texture2D(Texture0, TexCoord);
 }</source>

shader Bumpmapping: Unterschied zwischen den Versionen

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