【OpenGL】Shader实例分析（八）

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研究了一个彩色光圈效果，感觉挺不错的，分享给大家，效果如下：

代码如下：

[cpp] view plain copy

1. Shader "shadertoy/TotalNoob" {  //https://www.shadertoy.com/view/XdlSDs  
2.     Properties{  
3.         iMouse ("Mouse Pos", Vector) = (100,100,0,0)  
4.         iChannel0("iChannel0", 2D) = "white" {}    
5.         iChannelResolution0 ("iChannelResolution0", Vector) = (100,100,0,0)  
6.     }  
7.         
8.     CGINCLUDE      
9.         #include "UnityCG.cginc"     
10.         #pragma target 3.0        
11.         #pragma glsl  
12.   
13.         #define vec2 float2  
14.         #define vec3 float3  
15.         #define vec4 float4  
16.         #define mat2 float2x2  
17.         #define iGlobalTime _Time.y  
18. //          #define mod fmod  // mod = sign*fmod  
19.         #define mix lerp  
20.         #define atan atan2  
21.         #define fract frac   
22.         #define texture2D tex2D  
23.         // 屏幕的尺寸  
24.         #define iResolution _ScreenParams  
25.         // 屏幕中的坐标，以pixel为单位  
26.         #define gl_FragCoord ((_iParam.srcPos.xy/_iParam.srcPos.w)*_ScreenParams.xy)   
27.           
28.         #define PI2 6.28318530718  
29.         #define pi 3.14159265358979  
30.         #define halfpi (pi * 0.5)  
31.         #define oneoverpi (1.0 / pi)  
32.           
33.         fixed4 iMouse;  
34.         sampler2D iChannel0;  
35.         fixed4 iChannelResolution0;  
36.           
37.         struct v2f {      
38.             float4 pos : SV_POSITION;      
39.             float4 srcPos : TEXCOORD0;     
40.         };                
41.           
42.        //   precision highp float;  
43.         v2f vert(appdata_base v){    
44.             v2f o;  
45.             o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);  
46.             o.srcPos = ComputeScreenPos(o.pos);    
47.             return o;      
48.         }    
49.           
50.         vec4 main(v2f _iParam);  
51.           
52.         fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 {    
53.             return main(_iParam);  
54.         }    
55.           
56.         vec4 main(v2f _iParam) {  
57.             vec2 p = (2.0*gl_FragCoord.xy-iResolution.xy)/iResolution.y;  
58.             float tau = 3.1415926535*2.0;  
59.             float a = atan(p.x,p.y);  
60.             float r = length(p)*0.75;  
61.             vec2 uv = vec2(a/tau,r);  
62.               
63.             //get the color  
64.             float xCol = (uv.x - (iGlobalTime / 3.0)) * 3.0;  
65.             xCol = sign(xCol)*fmod(xCol, 3.0);  
66.             vec3 horColour = vec3(0.25, 0.25, 0.25);  
67.               
68.             if (xCol < 1.0) {  
69.                 horColour.r += 1.0 - xCol;  
70.                 horColour.g += xCol;  
71.             } else if (xCol < 2.0) {  
72.                 xCol -= 1.0;  
73.                 horColour.g += 1.0 - xCol;  
74.                 horColour.b += xCol;  
75.             } else {  
76.                 xCol -= 2.0;  
77.                 horColour.b += 1.0 - xCol;  
78.                 horColour.r += xCol;  
79.             }  
80.   
81.             // draw color beam  
82.             uv = (2.0 * uv) - 1.0;  
83.             float beamWidth = (0.7+0.5*cos(uv.x*10.0*tau*0.15*clamp(floor(5.0 + 10.0*cos(iGlobalTime)), 0.0, 10.0))) * abs(1.0 / (30.0 * uv.y));  
84.             vec3 horBeam = vec3(beamWidth,beamWidth,beamWidth);  
85.             vec4 gl_FragColor = vec4((( horBeam)* horColour ), 1.0);  
86.               
87.             return gl_FragColor;  
88.         }  
89.   
90.     ENDCG      
91.     SubShader {      
92.         Pass {      
93.             CGPROGRAM      
94.             #pragma vertex vert      
95.             #pragma fragment frag      
96.             #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest       
97.             ENDCG      
98.         }      
99.     }       
100.     FallBack Off      
101. }  

代码分析

代码分两部分，颜色 * 光圈，如下图：

 * 

 = 

彩色的算法

代码如下：

[cpp] view plain copy

1. vec2 p = (2.0*gl_FragCoord.xy-iResolution.xy)/iResolution.y;  
2. float tau = 3.1415926535*2.0;  
3. float a = atan(p.x,p.y);  
4. float r = length(p)*0.75;  
5. vec2 uv = vec2(a/tau,r);  
6.   
7. //get the color  
8. float xCol = (uv.x - (iGlobalTime / 3.0)) * 3.0;  
9. xCol = mod(xCol, 3.0);  
10. vec3 horColour = vec3(0.25, 0.25, 0.25);  
11.   
12. if (xCol < 1.0) {  
13.     horColour.r += 1.0 - xCol;  
14.     horColour.g += xCol;  
15. } else if (xCol < 2.0) {  
16.     xCol -= 1.0;  
17.     horColour.g += 1.0 - xCol;  
18.     horColour.b += xCol;  
19. } else {  
20.     xCol -= 2.0;  
21.     horColour.b += 1.0 - xCol;  
22.     horColour.r += xCol;  
23. }  

这段代码是写在fragment shader中的，也就是说，每个像素点的渲染都会调用这段代码。

a) vec2 p = (2.0*gl_FragCoord.xy-iResolution.xy)/iResolution.y;

p表示把当前的坐标轴缩小到原来的1/2，原点移动到屏幕中间，并把x,y轴的坐标范围缩小到1左右的值（即p的y轴范围在-1到1之间，x轴的范围也在附近）；

b）float a = atan(p.x, p.y);

a表示p点绕原点的角度，范围为[-π，π]；所以uv.x = a/tau的范围为[-1/2, 1/2]；

float xCol = (uv.x - (iGlobalTime / 3.0)) * 3.0; xCol=mod(xCol, 3)的范围为 [0,3]

c) xCol经过上面处理，其范围为[0,3]; 现在把这个范围平均分成3份，每一份做一个颜色的混合：

[0,1]：Red和Green混合；[1,2]：Green和Blue混合；[2,3]：Blue和Red混合。

光圈的算法

a）画光圈

式子：abs(1.0 / (30.0*uv.y)) 

知识：在shader中，如果color的值为负数，则认为是0，不显示该颜色。

uv变量中uv.y表示点到原点的距离，值的范围为 [0, ]

a-1) uv = (2.0 * uv) - 1.0;  先把uv缩小到原来的1/2，然后向外移动1单位。uv.y的值为[-1/2, ]；由于负值color不被显示，如下图A：

a-2) 1.0/(30.0* uv.y); 缩小到原来的1/30，并做个倒数，如下图B

a-3) abs(1.0/(30.0* uv.y)); 然后做个绝对值，如下图C

=》

=》

画光圈的算法和《【OpenGL】Shader实例分析（一）－Wave》中画线的算法很类似。

b）光圈动画 

式子：(0.7+0.5*cos(uv.x*10.0*tau*0.15*clamp(floor(5.0 + 10.0*cos(iGlobalTime)), 0.0, 10.0)))

为了方便，把上面的式子分解如下：

式1：float tt = 5.0 + 10.0*cos(iGlobalTime); 
式2：float param = clamp(floor(tt), 0.0, 10.0);

式3：float beamWidth = (0.7+0.5*cos(uv.x*pi*param));

我们把beamWidth作为颜色输出；

先理解式3，如果当param为0,、1、2、3、10时，分别参考下图： 

 =》 

 =》

=》 

=》

式2的作用，把tt的值做一个包装，使其为0到10之间的整数

式1的作用，起周期作用，值域为[-5,15]; 其值如左下图所示； 又由于式2做了clamp，把大于10和小于0的值去掉，最终的动画如右下图所示：

 ====》

把光圈和颜色整合起来就看到了和文章开头的动画一样的效果了。

最后吧所有的效果整合起来，如下图：

【彩色】 => 【彩色旋转】 =》【彩色旋转+动画】 =》【彩色旋转+动画+光圈】

=》

=》

=》

本次分析到此结束，欢迎讨论。