【OpenGL】Shader实例分析（一）－Wave

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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; 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。