使用网格噪声实现类似变形球的shader

使用网格噪声实现类似变形球的shader_第1张图片
变形球效果图


构造原理:

1.构造网格

例如:在不考虑光照的Unlit Shader中,它的frag函数应该是这样的;

fixed4 frag (v2f i):  SV_Target

{

         fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

         return col;

}

其中,传入的i.uv的取值范围是0到1之间;如果我们将i.uv *= 5:那么现在i.uv

的取值范围就是0到5;在使用float2 r = floor(i.uv); 取i.uv中x分量和y分量的整数值,

使用float2 f = frac(i.uv); 取i.uv中的x分量和y分量的小数点后的值;

(注:floor     返回小于等于x的最大整数。frac    返回输入值的小数部分。)

这样就构造了一个5x5的网格,每个网格中的横坐标和纵坐标的取值范围都是0到1。


2.实现噪声函数

在图形学中,使用噪声就是为了把一些随机变量来引入到程序中。

先看y = sin(x) * 1.0 的波形图(下图),y的取值范围是-1 到 1,看起来很有规律,和随机的关联不大。


使用网格噪声实现类似变形球的shader_第2张图片

将y = sin(x) * 1..0 取小数部分,即加上frac,这样获得的取值范围为0到1;这时候的波形看起来就比较突兀了。

使用网格噪声实现类似变形球的shader_第3张图片

将sin(x)的值扩大很多倍之后,在取小数部分,这时候的图像看起来就像一堆杂乱的点,这就实现了伪随机。

使用网格噪声实现类似变形球的shader_第4张图片

所以构造一个随机函数,输入一个值,返回一个随机的值

float2 random(float2 n)

{

              return frac(sin(n) * 43758.5453123);

}

输入和输出的值可以是float型,也可以是float2, float3等。按照需求构造。


3.画变形球原理

在第一步中构建的5x5网格中各自定义一个移动的点p,点p只在自己的网格中移动,然后每个网格内的点e都会与自身和相邻的网格内的移动点p计算距离d。当移动点p与周围格子移动点p相靠近时,这时候移动点周围的点e计算出来的距离d就会最小。所以我们可以限定一个距离值,移动点p相聚的情况下其周围的某些点的距离d小等于限定值显示出来。下图就是构造的5x5网格中各自有个移动点p。


使用网格噪声实现类似变形球的shader_第5张图片

floor(i.uv)获得每个各自的编号,从(0, 0)到(4, 4)。将这个编号传入随机函数,返回一个取值范围在 0 到 1 之间的坐标值,这个坐标值就是移动点p在每个网格中的坐标。


4.构造距离函数

计算网格中每个点与相邻网格中移动点的距离。代码如下:

float calculated(float uv)

{

i.uv * = 5; //构造5x5的网格

float2 coord = floor(i.uv); //获得网格编号

float2 position = frac(i.uv); //获得在网格中的坐标

float distance = 1; //距离值d

for(int x = -1; x <= 1; x ++) //在以网格编号为中心的周围网格中遍历

{

              for(int y = -1; y <= 1; y++)

               {

                           float2  offset = float2(x, y); //偏移中心点的偏移量

                           float2 co = coord + offset; //加上网格编号,获得周围网格的编号

                           float2 po = rand(co); //根据编号得到编号网格的移动点p

                           po = sin(_Time.y + po * 6.28) * 0.5 + 0.5;//给移动点的坐标添加时间的影响,让移动点动起来

                           float2 disv = po + offset - position; //计算移动点和当前点的向量

                           float curdis = length(disv); //根据向量获得距离值

                           distance = min(distance, distance * curdis); 

                           //当距离值大于1时,丢弃记录;当距离值小于1时,将记录的最小距离值与计算出来的当前距离值相乘,记录下来。

               }

}

}

这样,距离函数就构造完成了。



5.组合并添加限定值

在frag函数中调用。

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target

{

              float d = calculated(i.uv);//获得距离值d

              fixed3 colo = step(0.05, d);//限定值为0.05;小于限定值则为0,颜色为黑色;大等于限定值则颜色为白色。

              return fixed4(colo, 1);//返回颜色

}

这样,变形球效果就实现了。可以通过调整移动点受到时间影响的多少来调整变形球移动的速度;调整限定值来调整变形球的大小。


本文根据Patricio Gonzalez Vivo and Jen Lowe的《The Book of Shaders》中的内容进行实践得来。部分配图来自于《The Book of Shaders》的教程。

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