OpenGLShader实例分析- 雪花飘落效果

Posted 2020-09-17 gccbuaa

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研究了一个雪花飘落效果。感觉挺不错的。分享给大家，效果例如以下：

代码例如以下：

Shader "shadertoy/Flakes" {  // https://www.shadertoy.com/view/4d2Xzc
	Properties{
		iMouse ("Mouse Pos", Vector) = (100,100,0,0)
		iChannel0("iChannel0", 2D) = "white" {}  
		iChannelResolution0 ("iChannelResolution0", Vector) = (100,100,0,0)
	}
	  
	CGINCLUDE    
	 	#include "UnityCG.cginc"   
  		#pragma target 3.0      
  		#pragma glsl

  		#define vec2 float2
  		#define vec3 float3
  		#define vec4 float4
  		#define mat2 float2x2
  		#define iGlobalTime _Time.y
  		#define mod fmod
  		#define mix lerp
  		#define atan atan2
  		#define fract frac 
  		#define texture2D tex2D
  		// 屏幕的尺寸
  		#define iResolution _ScreenParams
  		// 屏幕中的坐标。以pixel为单位
  		#define gl_FragCoord ((_iParam.srcPos.xy/_iParam.srcPos.w)*_ScreenParams.xy) 
  		
  		#define PI2 6.28318530718
  		#define pi 3.14159265358979
  		#define halfpi (pi * 0.5)
  		#define oneoverpi (1.0 / pi)
  		
  		fixed4 iMouse;
  		sampler2D iChannel0;
  		fixed4 iChannelResolution0;
  		
        struct v2f {    
            float4 pos : SV_POSITION;    
            float4 srcPos : TEXCOORD0;   
        };              
        
       //   precision highp float;
        v2f vert(appdata_base v){  
        	v2f o;
        	o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
            o.srcPos = ComputeScreenPos(o.pos);  
            return o;    
        }  
        
        vec4 main(v2f _iParam);
        
        fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 {  
			return main(_iParam);
        }  
        
        
		vec4 main(v2f _iParam) {
		    vec2 p = gl_FragCoord.xy/iResolution.xy;
		    vec3  col = vec3(0,0,0);
		    float dd = 150;
		    for( int i=0; i<dd; i++ )
		    {
		        float an = 6.2831*float(i)/dd;
		        vec2  of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.6*cos(7.0*an+iGlobalTime)) + vec2( 0.0, iGlobalTime );
		        col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
		        col = max( col, texture2D( iChannel0, p +  5.0*of/iResolution.xy ).xyz );
		    }
		    col = pow( col, vec3(1.0,2.0,3.0) ) * pow( 4.0*p.y*(1.0-p.y), 0.2);
		    
			return vec4( col, 1.0 );
		}

    ENDCG    
  
    SubShader {    
        Pass {    
            CGPROGRAM    
  
            #pragma vertex vert    
            #pragma fragment frag    
            #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest     
  
            ENDCG    
        }    
    }     
    FallBack Off    
}

代码分析：

1）七边形雪花的绘制算法

详细代码例如以下：

float dd = 150;
for( int i=0; i<dd; i++ )
{
	float an = 6.2831*float(i)/dd;
	vec2  of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.6*cos(7.0*an+iGlobalTime)) + vec2( 0.0, iGlobalTime );
	col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
	col = max( col, texture2D( iChannel0, p +  5.0*of/iResolution.xy ).xyz );
}

在理解这段代码前。先理解怎么画一个圈，代码例如以下：

float dd = 30;
for( int i=0; i<dd; i++ )
{
	float an = 6.2831*float(i)/dd;
	vec2  of = vec2( cos(an), sin(an) );
	col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
}

然后再准备一张贴图，图片中间是一个白色像素，周围都是黑色

效果例如以下：

这段代码处于fragment shader中，意味着屏幕上每个点都会进行上述的算法。详细例如以下，遍历贴图中该点周围的点（上面的代码中为距离该点为20单位的圆上的点）。把周围点中最亮的作为该点的颜色。 上面的贴图有点特殊。仅仅有一个点是白色，其余点都是黑色的。那么仅仅有距离该点正好为20单位的点才会变成亮色，其余的点都是黑色。如上图的结果。

一句话总结上面算法的效果：贴图中的每个“相对亮点”的周围都会产生“相对亮的特定图形”，图形的亮度取决于该点的亮度。越亮越明显。效果能够參考文末的图片。

接下来理解这段代码：

float dd = 150;
for( int i=0; i<dd; i++ )
{
	float an = 6.2831*float(i)/dd;
	vec2  of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.7*cos(7.0*an));
	col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
//	col = max( col, texture2D( iChannel0, p +  5.0*of/iResolution.xy ).xyz );
}

输出结果例如以下：

a)  1.0+0.7*cos(7.0*an)的图像例如以下：

b）算法中 of 向量的路径为：

结果就非常清晰了；事实上这里算法和《【OpenGL】Shader实例分析（二）－ Heart》中绘制心形的算法非常类似。

最后加上时间就能够实现动画了：

vec2  of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.6*cos(7.0*an+iGlobalTime)) + vec2( 0.0, iGlobalTime );

第一个iGlobalTime。用来控制雪花的旋转。第二个iGlobalTime使雪花下落。

2）后期颜色等处理

这里能够理解为一种postEffect处理。详细是例如以下的代码贡献的效果：

col = pow( col, vec3(1.0,2.0,3.0) ) * pow( 4.0*p.y*(1.0-p.y), 0.2);

a)  pow(col, vec3(1.0, 2.0, 3.0)) 这句话使得颜色变成暖色调。

col值的范围为[0,1]，对小数继续pow运算，次数越高，该值越小。

比方：0.5的1次方是0.5。 2次方为0.25。 3次方为0.125等。所以这句话的作用非常明显：red成份不变，green变小一些，blue变的更小。达到的效果。使得总体颜色会偏向暖色调。

b）pow(4.0*p.y*(1.0-p.y), 0.2) 使得屏幕上下两边变暗。

最后附上shader中用到的贴图：

经过程序处理后，得到例如以下：

文章完成，欢迎讨论。