有趣的Shader

目录

1.Shader简单介绍以及入门。
2.抖音特效经典滤镜实现（包含灵魂出窍、抖动）。
3.用Shader创造一些新鲜有趣的效果吧。

1.1 什么是Fragment Shader(片段着色器)？

我们把 shaders 和古腾堡印刷术相提并论。为什么这样类比呢？更重要的是，什么是 shader？

From Letter-by-Letter, Right: William Blades (1891). To Page-by-page, Left: Rolt-Wheeler (1920).

如果你曾经有用计算机绘图的经验，你就知道在这个过程中你需要画一个圆，然后一个长方形，一条线，一些三角形……直到画出你想要的图像。这个过程很像用手写一封信或一本书 —— 都是一系列的指令，需要你一件一件完成。
Shaders 也是一系列的指令，但是这些指令会对屏幕上的每个像素同时下达。也就是说，你的代码必须根据像素在屏幕上的不同位置执行不同的操作。就像活字印刷，你的程序就像一个 function（函数），输入位置信息，输出颜色信息，当它编译完之后会以相当快的速度运行。

Chinese movable type.

1.2 为什么 shaders 运行特别快？

为了回答这个问题，不得不给大家介绍并行处理（parallel processing）的神奇之处。
想象你的 CPU 是一个大的工业管道，然后每一个任务都是通过这个管道的某些东西 —— 就像一个生产流水线那样。有些任务要比别的大，也就是说要花费更多时间和精力去处理。我们就称它要求更强的处理能力。由于计算机自身的架构，这些任务需要串行；即一次一个地依序完成。现代计算机通常有一组四个处理器，就像这个管道一样运行，一个接一个地处理这些任务，从而使计算机流畅运行。每个管道通常被称为线程。

CPU

CPU视频游戏和其他图形应用比起别的程序来说，需要高得多的处理能力。因为它们的图形内容需要操作无数像素。想想看，屏幕上的每一个像素都需要计算，而在 3D 游戏中几何和透视也都需要计算。
让我们回到开始那个关于管道和任务的比喻。屏幕上的每个像素都代表一个最简单的任务。单独来看完成任何一个像素的任务对 CPU 来说都很容易，那么问题来了，屏幕上的每一个像素都需要解决这样的小任务！也就是说，哪怕是对于一个老式的屏幕（分辨率 800x600）来说，都需要每帧处理480000个像素，即每秒进行14400000次计算！是的，这对于微处理器就是大问题了！而对于一个现代的 2800x1800 视网膜屏，每秒运行60帧，就需要每秒进行311040000次计算。图形工程师是如何解决这个问题的？

image

这个时候，并行处理就是最好的解决方案。比起用三五个强大的微处理器（或者说“管道”）来处理这些信息，用一大堆小的微处理器来并行计算，就要好得多。这就是图形处理器（GPU : Graphic Processor Unit)的来由。
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把GPU设想成一堆小型微处理器排成一个平面的画面，假设每个像素的数据是乒乓球。14400000个乒乓球可以在一秒内阻塞几乎任何管道。但是一面800x600的管道墙，每秒接收30波480000个像素的信息就可以流畅完成。这在更高的分辨率下也是成立的 —— 并行的处理器越多，可以处理的数据流就越大。

另一个 GPU 的魔法是特殊数学函数可通过硬件加速。非常复杂的数学操作可以直接被微芯片解决，而无须通过软件。这就表示可以有更快的三角和矩阵运算 —— 和电流一样快。

1.3 Hello world!

“Hello world!”通常都是学习一个新语言的第一个例子。这是一个非常简单，只有一行的程序。它既是一个热情的欢迎，也传达了编程所能带来的可能性。

然而在 GPU 的世界里，第一步就渲染一行文字太难了，所以我们改为选择一个鲜艳的欢迎色，来吧躁起来！

#ifdef GL_ES
precision mediump float;
#endif
void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0,0.0,1.0,1.0);
}

尽管这几行简单的代码看起来不像有很多内容，我们还是可以据此推测出一些知识点：

1.shader 语言 有一个 main 函数，会在最后返回颜色值。这点和 C 语言很像。

2.最终的像素颜色取决于预设的全局变量 gl_FragColor。

3.这个类 C 语言有内建的变量（像gl_FragColor），函数和数据类型。在本例中我们刚刚介绍了vec4（四分量浮点向量）。之后我们会见到更多的类型，像 vec3 （三分量浮点向量）和 vec2 （二分量浮点向量），还有非常著名的：float（单精度浮点型）， int（整型） 和 bool（布尔型）。

4.如果我们仔细观察 vec4 类型，可以推测这四个变元分别响应红，绿，蓝和透明度通道。同时我们也可以看到这些变量是规范化的，意思是它们的值是从0到1的。之后我们会学习如何规范化变量，使得在变量间map（映射）数值更加容易。

5.另一个可以从本例看出来的很重要的类 C 语言特征是，预处理程序的宏指令。宏指令是预编译的一部分。有了宏才可以 #define （定义）全局变量和进行一些基础的条件运算（通过使用 #ifdef 和 #endif）。所有的宏都以 # 开头。预编译会在编译前一刻发生，把所有的命令复制到 #defines 里，检查#ifdef 条件句是否已被定义， #ifndef 条件句是否没有被定义。在我们刚刚的“hello world!”的例子中，我们在第2行检查了 GL_ES 是否被定义，这个通常用在移动端或浏览器的编译中。

6.float类型在 shaders 中非常重要，所以精度非常重要。更低的精度会有更快的渲染速度，但是会以质量为代价。你可以选择每一个浮点值的精度。在第一行（precision mediump float;）我们就是设定了所有的浮点值都是中等精度。但我们也可以选择把这个值设为“低”（precision lowp float;）或者“高”（precision highp float;）。

7.最后可能也是最重要的细节是，GLSL 语言规范并不保证变量会被自动转换类别。这句话是什么意思呢？显卡的硬件制造商各有不同的显卡加速方式，但是却被要求有最精简的语言规范。因而，自动强制类型转换并没有包括在其中。在我们的“hello world!”例子中，vec4 精确到单精度浮点，所以应被赋予 float 格式。但是如果你想要代码前后一致，不要之后花费大量时间 debug 的话，最好养成在 float 型数值里加一个 . 的好习惯。如下这种代码就可能不能正常运行：

1.4 运行我们的 shader

现在你可能跃跃欲试，想在你熟悉的平台上小试牛刀了。
1.你可以下载glslViewer。这个 MacOS+树莓派程序直接在终端运行.
2.如果你想用 WebGL 显示 shader，并不关心其他平台，你可以用glslCanvas 。
3.这里提安利个桌面小工具ShaderDesigner,这个 MacOS的程序可以直接调用摄像头并预览，加入你的shader代码来创造有趣的效果。

2.1 运行我们的 ShaderDesigner.app

下载ShaderDesigner并在MacOS环境下运行如下图

ShaderDesigner.app 运行效果

我们来看下Fragment Shader代码

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
void main()
{
    gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, textureCoordinate);
}

1. textureCoordinate 视口分辨率（以像素计）
2. inputImageTexture 接收一个图片的引用，当做2D的纹理，这个数据类型就是smpler2D。
3. u_time shader 运行时间（以秒计）
4. texture2D(Texture,v_texCoord)方法
5. 最终的像素颜色取决于vec4类型 gl_FragColor

2.2 小试牛刀解决镜像翻转

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
void main()
void main()
{
    vec2 st = vec2(1.0 - textureCoordinate.x, textureCoordinate.y);
    gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, st);
}

2.3 试试抖音的灵魂出窍

先来看看效果吧(gif加载请等待⌛️)。

抖音-灵魂出窍.gif

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
vec2 scaleFromCenter(vec2 coord, float scale) {
  if (scale > 1.0 || scale < 0.0) { return coord; }
  vec2 scaleCenter = vec2(0.5);
  return (coord - scaleCenter) * scale + scaleCenter;
}
void main()
{
    vec2 st = vec2(1.0 - textureCoordinate.x, textureCoordinate.y);
    float scale = 1.0 - mod(u_time * 1.4, 0.8) + 0.4;
    if (scale < 0.0) {
    gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, st);
    return;
    }
    vec2 newCoord = scaleFromCenter(st, scale);
    float colorScale = scale * 0.5;
    vec4 resultColor = texture2D(inputImageTexture, st) * (1.0 - colorScale + 0.2);
    vec4 newCoordColor = texture2D(inputImageTexture, newCoord) * (colorScale - 0.2);
    vec4 result = (resultColor + newCoordColor);
    gl_FragColor = result;
}

2.4 试试抖音的抖动效果吧

先来看看效果吧(gif加载请等待⌛️)

抖音-抖动.gif

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
vec2 scaleFromCenter(vec2 coord, float scale) {
  if (scale > 1.0 || scale < 0.0) { return coord; }
  vec2 scaleCenter = vec2(0.55, 0.45);
  return (coord - scaleCenter) * scale + scaleCenter;
}

vec2 scaleFromCenter2(vec2 coord, float scale) {
  if (scale > 1.0 || scale < 0.0) { return coord; }
  vec2 scaleCenter = vec2(0.5);
  return (coord - scaleCenter) * scale + scaleCenter;
}

vec2 scaleFromCenter3(vec2 coord, float scale) {
  if (scale > 1.0 || scale < 0.0) { return coord; }
  vec2 scaleCenter = vec2(0.45);
  return (coord - scaleCenter) * scale + scaleCenter;
}
void main()
{
     vec2 st = vec2(1.0 - textureCoordinate.x, textureCoordinate.y);
    float scale = 1.0 - mod(u_time * 1.2, 0.8) + 0.5;
    if (scale < 0.0) {
    gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, st);
    return;
    }
    vec2 newCoord = scaleFromCenter(st, scale);
    vec4 result = texture2D(inputImageTexture, newCoord);
    vec2 newCoord2 = scaleFromCenter2(st, scale);
    vec4 result2 = texture2D(inputImageTexture, newCoord2);
    vec2 newCoord3 = scaleFromCenter3(st, scale);
    vec4 result3 = texture2D(inputImageTexture, newCoord3);
    vec4 xx = result * vec4(0.0,0.0,1.0,1.0) +
    result2 * vec4(0.0,1.0,0.0,1.0) +
    result3 * vec4(1.0,0.0,0.0,1.0) ;
   gl_FragColor = vec4(xx.rgb, 1.0);
}

3.1用Shader创造一些新鲜有趣的效果吧—四合一。

有趣的四合一

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
vec2 scaleFromCenter2D(vec2 coord, vec2 scale) {
  vec2 scaleCenter = scale;
  vec2 st = coord - scaleCenter;
  st = st * scale + scaleCenter;
  if (st.x < 0.0) {
    st.x = mod(st.x, 1.0);
  }
  else if (st.x > 1.0) {
    st.x = fract(st.x);
  }
  if (st.y < 0.0) {
    st.y = mod(st.y, 1.0);
  }
  else if (st.y > 1.0) {
    st.y = fract(st.y);
  }
  return st;
}

void main()
{
    vec2 st = vec2(1.0 - textureCoordinate.x, textureCoordinate.y);
    st = scaleFromCenter2D(st, vec2(2.0));
    gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, st);

}

3.2用Shader创造一些新鲜有趣的效果吧—三合一。

有趣的三合一

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
void main()
{
    vec2 st = vec2(1.0 - textureCoordinate.x, textureCoordinate.y);

    if (st.y <=  0.333){
       gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, vec2(st.x,st.y + 0.333));
    }else if(st.y > 0.333 && st.y<= 0.666){
       gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, st);
    }else{
       gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, vec2(st.x,st.y - 0.333));
    }
}

3.3用Shader创造一些新鲜有趣的效果吧—中间镜像。

有趣的中间镜像

varying vec2 textureCoordinate;
uniform sampler2D inputImageTexture;
uniform float u_time;
void main()
{
    vec2 st = vec2(1.0 - textureCoordinate.x, textureCoordinate.y);
    if (st.x <=  0.5){
        gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, vec2(  0.5 - st.x,st.y ));
       }else{
        gl_FragColor = texture2D(inputImageTexture, vec2( st.x - 0.5,st.y ));
       }
}