OpenGL Shader实例分析（1）Wave效果

这篇文章主要分析一个shader，从而感受shader的魅力，并学习相关shader的函数的用法。

先看shader运行的效果：

下面是代码：

shader "shadertoy/waves" { //see https://www.shadertoy.com/view/4dsgzh
 
 cginclude 
 
 #include "unitycg.cginc"       
 #pragma target 3.0 
 struct vertout { 
  float4 pos:sv_position; 
  float4 srcpos; 
 };
 
 vertout vert(appdata_base v) {
  vertout o;
  o.pos = mul (unity_matrix_mvp, v.vertex);
  o.srcpos = computescreenpos(o.pos);
  return o;
 }
 
 fixed4 frag(vertout i) : color0 {
 
  fixed3 color1 = fixed3(0.0,0.0,0.3);
  fixed3 color2 = fixed3(0.5,0.0,0.0);
  float block_width = 0.03;
 
  float2 uv = (i.srcpos.xy/i.srcpos.w);
 
  // to create the bg pattern
  fixed3 final_color = fixed3(1.0);
  fixed3 bg_color = fixed3(0.0);
  fixed3 wave_color = fixed3(0.0);
 
  float c1 = fmod(uv.x, 2.0* block_width);
  c1 = step(block_width, c1);
  float c2 = fmod(uv.y, 2.0* block_width);
  c2 = step(block_width, c2);
  bg_color = lerp(uv.x * color1, uv.y * color2, c1*c2);
 
  // to create the waves 
  float wave_width = 0.01;
  uv = -1.0 + 2.0*uv;
  uv.y += 0.1;
  for(float i=0.0; i<10.0; i++) {
  uv.y += (0.07 * sin(uv.x + i/7.0 + _time.y));
  wave_width = abs(1.0 / (150.0 * uv.y));
  wave_color += fixed3(wave_width * 1.9, wave_width, wave_width * 1.5);
  }
  final_color = bg_color + wave_color;
 
  return fixed4(final_color, 1.0);
 }
 
 endcg 
 
 subshader { 
 pass { 
  cgprogram 
 
  #pragma vertex vert 
  #pragma fragment frag 
  #pragma fragmentoption arb_precision_hint_fastest  
 
  endcg 
 } 
 
 }  
 fallback off 
}

下面进行分析：

1. computescreenpos的解析：

用于把三维的坐标转化为屏幕上的点。有两种方式，请参考 官方例子

computescreenpos在unitycg.cginc文件中定义如下：

// projected screen position helpers
#define v2f_screen_type float4
inline float4 computescreenpos (float4 pos) {
 float4 o = pos * 0.5f;
 #if defined(unity_half_texel_offset)
 o.xy = float2(o.x, o.y*_projectionparams.x) + o.w * _screenparams.zw;
 #else
 o.xy = float2(o.x, o.y*_projectionparams.x) + o.w;
 #endif
 
 #if defined(shader_api_flash)
 o.xy *= unity_npotscale.xy;
 #endif
 
 o.zw = pos.zw;
 return o;
}

原理解析（待续）

2. 背景的绘制

2.1) fmod用于求余数，比如fmod(1.5, 1.0) 返回0.5；

2.2) step用于大小的比较，step(a,x) :  0 if x<a; 1 if x>=a; 比如: step(1, 1.2), 返回1; step(1, 0.8) 返回0；

2.3) 结合fmod和step可以得到一个虚线的效果。 比如要得到虚线段长度为1的代码如下：

c1 = fmod(x, 2*width); c1=step(width,c1); //其中width为1

那么如果x的范围是［0,1)，c1的值为0；范围为[1,2)，c1的值为1；2为一个周期；

那么fmod起到了制作周期的作用，step计算周期内的0和1；

2.4)把2.3中的知识运用到2维，就可以计算出方块。

lerp函数的用法：lerp( a , b ,f )， f为百分数（取值范围［0，1］）；如果f为0，则lerp返回a，f为1，则返回b。f为0到1之间，就返回a到b之间的值。

代码中的 lerp(uv.x * color1, uv.y * color2, c1*c2); 其中c1和c2的取值不是为1，就是为0，所以就可以变成网格的情况。 背景绘制如下：

3. 波纹的绘制

3.1 ) 坐标的转化

uv = -1.0 + 2.0*uv;  // 把原始的uv进行扩展和位移，得到新的uv。我们的操作就是在新的uv上进行的，最终显示时会映射到原来到uv，请参考下图

3.2 )  画一条直线：

由于上面把y轴移动到屏幕的中心，所以屏幕的上半部分为正的，下半部分为负的，代码如下：

wave_width = abs(1.0 / (50.0 * uv.y));
wave_color = fixed3(wave_width * 1.9, wave_width, wave_width * 1.5);

其中50.0是用来控制线的宽度的（数值越大，线越细），效果如下：

3.3）把直线变为曲线，并使其动起来：

uv.y += (0.07 * sin(uv.x*10 + _time.y));
wave_width = abs(1.0 / (50.0 * uv.y));
wave_color = fixed3(wave_width * 1.9, wave_width, wave_width * 1.5);

效果如下：

3.4）多画几条曲线，形成波浪：

for(float i=0.0; i<10.0; i++) {
 uv.y += (0.07 * sin(uv.x + i/7.0 + _time.y));
 wave_width = abs(1.0 / (150.0 * uv.y));
 wave_color += fixed3(wave_width * 1.9, wave_width, wave_width * 1.5);
}

最终效果请见文章开头。

其实写shader，很多时候都是要通过不断地效果叠加并调试来达到效果。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持。