【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示

想玩下ShaderToy,但是突然想起来自己以前用Bitmap实现的分形图形,
那么用Shader实现起来又是如何呢。

1.曼德博罗集

分形几何是什么呢,似乎不是本文的主题,我这里有一系列的链接
《走近混沌》-1-从分形龙谈起
《走近混沌》-2-简单分形
《走近混沌》-3-分数维是怎么回事?
《走近混沌》-4-再回到分形龙
《走近混沌》-5-大自然中的分形
《走近混沌》-6-分形之父的启示
《走近混沌》-7-魔鬼的聚合物-曼德勃罗集
《走近混沌》-8-朱利亚的故事

我在这里仅仅贴出部分,更广阔的数学殿堂等你开拓

言归正传,分形几何的奇妙图案,只由一个简单的迭代式子决定,我反正惊呆了
[图片上传失败...(image-b91ac5-1512724032048)]

观察上述式子,如果对复数稍有了解,应该知道这个式子表明(n+1)项的数值是在第(n)的基础之上迭代而来,可能有点难以理解
先上一张效果图

【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第1张图片
QQ图片20170830143252.png

上图中淡青色区域,表示经过无限次迭代之后z(n)的模的大小依旧限定在某一区域不会跑偏(发散)到无穷远处,我们在对无穷次迭代之后会发散的这些位置点涂上不同的颜色,而具体上什么颜色,是由发散的次数不同来决定的

不多说,上代码

Shader "shadertoy/Simple Circle" {
        Properties{
            iMouse("Mouse Pos", Vector) = (100, 100, 0, 0)
            _Parameters("Circle Parameters", Vector) = (0.5, 0.5, 10, 1) // Center: (x, y), Radius: z  
            _CircleColor("Circle Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
            _BackgroundColor("Background Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
        }

        CGINCLUDE
        #include "UnityCG.cginc"     
        #pragma target 3.0        

        #define vec2 float2  
        #define vec3 float3  
        #define vec4 float4  
        #define mat2 float2x2  
        #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)  
        #define CycleCount 100  
        #define iGlobalTime _Time.y   

        float4 _Parameters;
        float4 _CircleColor;
        float4 _BackgroundColor;
        fixed4 iMouse;
        uniform float theta;

        struct v2f {
            float4 pos : SV_POSITION;
            float4 srcPos : TEXCOORD0;
        };
        struct Complex {//z = ai + b;
            float a;
            float b;
        };

        //   precision highp float;  
        v2f vert(appdata_base v) {//顶点着色器
            v2f o;
            o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
            o.srcPos = ComputeScreenPos(o.pos);
            return o;
        }

        vec4 main(vec2 fragCoord);

        fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0{//片元着色器
            vec2 fragCoord = gl_FragCoord; 
            return main(gl_FragCoord);
        }
        
        float calManDeBoLuo(Complex c, int cycleIndex, float sin, float cos ) {

            Complex z;
            z.a = sin;
            z.b = cos;
            z.a = 0;
            z.b = 0;
            float magnite;
            do {
                cycleIndex++;
                float aa = 2 * z.a * z.b + c.a;
                float bb = pow(z.b, 2) - pow(z.a, 2) + c.b;
                z.a = aa;
                z.b = bb;
                magnite = length(float2(z.a, z.b));
                if (cycleIndex >= CycleCount || magnite   > 2) {
                    return cycleIndex*1.0 / CycleCount;
                } 
            } while (true); 
        }
        
        float calJulia(Complex z, int cycleIndex, float sin, float cos) {

            Complex c;
            c.a = sin;
            c.b = cos;   
            float magnite;
            do {
                cycleIndex++;
                float aa = 2 * z.a * z.b + c.a;
                float bb = pow(z.b, 2) - pow(z.a, 2) + c.b;
                z.a = aa;
                z.b = bb;
                magnite = length(float2(z.a, z.b));
                if (cycleIndex >= CycleCount || magnite > 2) {
                    return cycleIndex*1.0 / CycleCount;
                }
            } while (true); 
        }
        
        vec4 main(vec2 fragCoord) {//主函数

            vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)  
            float2 viewPortCoor = float2( fragCoord.x/ iResolution.x, fragCoord.y/ iResolution.y);// (0,0) - (1,1) 中心位置为(0.5,0.5)

            float scale =1/ (1 + -0.5 * (sin(_Time.y)*0.5 + 0.5));// 
            //viewPortCoor = (scale) * (viewPortCoor * 2 * 1 - float2(1, 1)) - float2(-0.33,0.04752) ;//(-1,-1) - (1,1) 中心位置为(0,0)
            viewPortCoor = scale * (viewPortCoor * 2 * 1 - float2(1, 1))  ;//(-1,-1) - (1,1) 中心位置为(0,0)

            Complex vpc;
            vpc.a = viewPortCoor.y ;
            vpc.b = viewPortCoor.x ;
            float cal = calManDeBoLuo(vpc, 0, sin(_Time.y), cos(_Time.y));//曼德博罗集
            //float cal = calJulia(vpc, 0, sin(_Time.y/3) , cos(_Time.y / 3) );//茱莉亚集

            return float4(0, cal, 0, 1); 
        }

        ENDCG

        SubShader{
            Pass{
                    CGPROGRAM

                    #pragma vertex vert      
                    #pragma fragment frag      
                    #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest       

                    ENDCG
            }
        }
        FallBack Off
}

2.茱莉亚集

看代码的这个部分



            float cal = calManDeBoLuo(vpc, 0, sin(_Time.y), cos(_Time.y));//曼德博罗集
            //float cal = calJulia(vpc, 0, sin(_Time.y/3) , cos(_Time.y / 3) );//茱莉亚集

我们把茱莉亚集的代码打开,同时把曼德博罗集的代码注释掉
像这样


            //float cal = calManDeBoLuo(vpc, 0, sin(_Time.y), cos(_Time.y));//曼德博罗集
            float cal = calJulia(vpc, 0, sin(_Time.y/3) , cos(_Time.y / 3) );//茱莉亚集

你可以在unity中看到绕中心旋转的一个茱莉亚集

【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第2张图片
QQ截图20170830144906.png

我承认为了好看加上了时间函数 。

3.效果调整

上图的颜色因为受迭代次数的影响很不均匀,同时颜色较为单一,为了解决这个美学问题(存粹强迫症)
我们对返回颜色值的部分做一些插值变换


            float colorTime1 = cos(_Time.y)*0.5 + 0.5;
            float colorTime2 = sin(_Time.y)*0.5 + 0.5;
            float4 color = float4(colorTime1, cal*20.0%1.0, colorTime2, 1);

我们这里简单截几张效果图

【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第3张图片
QQ截图20170831133457.png
【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第4张图片
QQ截图20170831133508.png
【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第5张图片
QQ截图20170831133441.png

完整代码如下

Shader "shadertoy/Simple Circle" {
        Properties{
            iMouse("Mouse Pos", Vector) = (100, 100, 0, 0)
            _Parameters("Circle Parameters", Vector) = (0.5, 0.5, 10, 1) // Center: (x, y), Radius: z  
            _CircleColor("Circle Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
            _BackgroundColor("Background Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
        }

        CGINCLUDE
        #include "UnityCG.cginc"     
        #pragma target 3.0        

        #define vec2 float2  
        #define vec3 float3  
        #define vec4 float4  
        #define mat2 float2x2  
        #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)  
        #define CycleCount 100  
        #define iGlobalTime _Time.y   

        float4 _Parameters;
        float4 _CircleColor;
        float4 _BackgroundColor;
        fixed4 iMouse;
        uniform float theta;

        struct v2f {
            float4 pos : SV_POSITION;
            float4 srcPos : TEXCOORD0;
        };
        struct Complex {//z = ai + b;
            float a;
            float b;
        };

        //   precision highp float;  
        v2f vert(appdata_base v) {//顶点着色器
            v2f o;
            o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
            o.srcPos = ComputeScreenPos(o.pos);
            return o;
        }

        vec4 main(vec2 fragCoord);

        fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0{//片元着色器
            vec2 fragCoord = gl_FragCoord; 
            return main(gl_FragCoord);
        }
        
        float calManDeBoLuo(Complex c, int cycleIndex, float sin, float cos ) {

            Complex z;
            z.a = sin;
            z.b = cos;
            z.a = 0;
            z.b = 0;
            float magnite;
            do {
                cycleIndex++;
                float aa = 2 * z.a * z.b + c.a;
                float bb = pow(z.b, 2) - pow(z.a, 2) + c.b;
                z.a = aa;
                z.b = bb;
                magnite = length(float2(z.a, z.b));
                if (cycleIndex >= CycleCount || magnite   > 2) {
                    return cycleIndex*1.0 / CycleCount;
                } 
            } while (true); 
        }
        
        float calJulia(Complex z, int cycleIndex, float sin, float cos) {

            Complex c;
            c.a = sin;
            c.b = cos;   
            float magnite;
            do {
                cycleIndex++;
                float aa = 2 * z.a * z.b + c.a;
                float bb = pow(z.b, 2) - pow(z.a, 2) + c.b;
                z.a = aa;
                z.b = bb;
                magnite = length(float2(z.a, z.b));
                if (cycleIndex >= CycleCount || magnite > 2) {
                    return cycleIndex*1.0 / CycleCount;
                }
            } while (true); 
        }
        
        vec4 main(vec2 fragCoord) {//主函数

            vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)  
            float2 viewPortCoor = float2( fragCoord.x/ iResolution.x, fragCoord.y/ iResolution.y);// (0,0) - (1,1) 中心位置为(0.5,0.5)

            float scale =1/ (1 + -0.5 * (sin(_Time.y)*0.5 + 0.5));// 
            //viewPortCoor = (scale) * (viewPortCoor * 2 * 1 - float2(1, 1)) - float2(-0.33,0.04752) ;//(-1,-1) - (1,1) 中心位置为(0,0)
            viewPortCoor = scale * (viewPortCoor * 2 * 1 - float2(1, 1))  ;//(-1,-1) - (1,1) 中心位置为(0,0)

            Complex vpc;
            vpc.a = viewPortCoor.y ;
            vpc.b = viewPortCoor.x ;
            //float cal = calManDeBoLuo(vpc, 0, sin(_Time.y), cos(_Time.y));//曼德博罗集
            float cal = calJulia(vpc, 0, sin(_Time.y/3) , cos(_Time.y / 3) );//茱莉亚集

            float colorTime1 = cos(_Time.y)*0.5 + 0.5;
            float colorTime2 = sin(_Time.y)*0.5 + 0.5;
            float4 color = float4(colorTime1, cal*20.0%1.0, colorTime2, 1);
            return color;
        }

        ENDCG

        SubShader{
            Pass{
                    CGPROGRAM

                    #pragma vertex vert      
                    #pragma fragment frag      
                    #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest       

                    ENDCG
            }
        }
        FallBack Off
}

再贴几张

【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第6张图片
QQ截图20170831135700.png
【光能蜗牛的图形学之旅】分形几何-曼德博罗的二维展示_第7张图片
QQ截图20170831135357.png

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