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Shader基础技巧整理

news 来源：原创 2024/4/26 3:24:47

自从接触了shader之后我便深深得爱上了它，因为它独特的编程思考方式冲击着我这十几年的惯性认知。
在向各位大佬学习的过程中，每学到一个新的技巧，我都不禁感叹：“实在是妙！”

本文将整理一些个人常用的shader技巧/方法，只包含片元着色器相关内容。
由于本人尚属初学，所以内容会比较基础。

简单几何图形

区间（带通）

两个阶梯函数叠加构成的带通函数，用数字信号处理的角度去思考貌似是个不错的选择

float Band(float v, float start, float end) {
    float up = step(start, v);
    float down = 1.0 - step(end, v);
    return up * down;
}

矩形

x, y两个方向的带通函数叠加

float Rect(vec2 uv, float l, float b, float r, float t) {
    float x = Band(uv.x, l, r);
    float y = Band(uv.y, b, t);
    return x * y;
}

圆形

圆形比较容易出现锯齿，所以用 smoothstep 做平滑处理。
由于 distance() 依赖 sqrt() 开根号，在一些老硬件上会比较耗时，实际使用时可以考虑转换为和r平方进行比较的公式。

float Circle(vec2 uv, vec2 o, float r, float blur) {
    return smoothstep(r, r-blur, distance(uv, o));
}

混合叠加

上述几何图形函数的输出值是0或1的float（经过 smoothstep() 可能会出现中间值，不过此处可以不考虑）。
0或1的float值可以利用加、减、乘来模拟位运算。比如上述区间、矩形几何图形都是通过乘法叠加。

加减法例子：ET脸

画一个大圆当脸，减去两个小圆当眼睛

float ETFace(vec2 uv, vec2 o) {
    float c = Circle(uv, vec2(.0, .0), 0.5, 0.01);
    c -= Circle(uv, vec2(-.2, -.2), 0.2, 0.01);
    c -= Circle(uv, vec2(.2, -.2), 0.2, 0.01);
    return c;
}

坐标空间处理

Cocos Creator以 左上角 为坐标原点，范围(0, 1)。
shadertoy, GlslEditor中均以 左下角 为坐标原点，范围(0, 1)，接下来所有代码将使用这个坐标系。

在绘制某些对称图形时可能需要将原点调整到屏幕中心，即将(0, 1)区间映射到(-0.5, 0.5)。
根据不同场景也可以将(0, 1)区间映射到(-1, 1)，哪个处理起来方便用哪个。

// (0, 1)区间映射到(-1, 1)
uv = uv * 2.0 - 1.0;

也可以用下面的方法从任意区间映射到任意区间

float Remap01(float a, float b, float t) {
    return (t-a) / (b-a);
}


float Remap(float a, float b, float c, float d, float t) {
    return Remap01(a, b, t) * (d-c) + c;
}

长宽适配

不知道这个功能的简称是什么，暂且这么称呼吧。
其作用是在分辨率长宽不等的情况下将坐标空间映射为等边，映射后原先较长的一边其自变量区间会被放大。

void main() {
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy/u_resolution.xy;
    uv = uv * 2.0 - 1.0;            // 位移到以中间为原点
    uv.x *= u_resolution.x/u_resolution.y;    // 将x的自变量区间拉长
    
    float mask = Rect(uv, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5);
    vec3 color = vec3(mask);
    gl_FragColor = vec4(color,1.0);
}

计算角度

用atan() 计算角度，图中将(-PI, PI)区间映射到(0, 1)区间，并且将值对应的灰度输出。
atan() 计算比较耗时，实际项目中慎用。

#define PI 3.141592653589793


void main() {
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy/u_resolution.xy;
    uv = uv * 2.0 - 1.0;
    uv.x *= u_resolution.x/u_resolution.y;
    
    float angle = atan(uv.y, uv.x);
    angle = Remap(-PI, PI, 0., 1.0, angle);
    vec3 color = vec3(angle);
    gl_FragColor = vec4(color,1.0);
}

旋转

uv乘以旋转矩阵

#define PI 3.141592653589793


mat2 Rotate2d(float angle){
    return mat2(cos(angle), -sin(angle),
           sin(angle), cos(angle));
}


void main() {
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy/u_resolution.xy;
    uv = uv * 2.0 - 1.0;
    uv.x *= u_resolution.x/u_resolution.y;
    
    uv = Rotate2d(PI / 6.) * uv;
    float mask = Rect(uv, -0.5, -0.5, 0.5, 0.5);
    vec3 color = vec3(mask);
    gl_FragColor = vec4(color,1.0);
}

网格化

将屏幕分割成5x5个网格，每个格子里画一个圆。
原理是将uv拉伸5倍后取小数部分，这样处理后uv会变成每个网格内的局部坐标，这个技巧被广泛使用。

void main() {
    // ...
    uv = fract(uv * 5.);
    float mask = Circle(uv, vec2(0.5), 0.5, 0.01);
    // ...
}

噪音（随机化hash）

获取噪音的方法很多很灵活，输入一般是和uv相关的变量，输出(0, 1)范围的1维或2维值。
只要让人肉眼难分辨出模式，就是一个好用的噪音函数。
噪音的用途非常广泛，可以利用噪音降低图片的人工痕迹，后面会单独整理一篇文章。

float Noise1(vec2 p) {
    return fract(sin(
        dot(p, vec2(12.9898,78.233))
    ) * 43758.5453123);
}


float Noise2(vec2 p) {
    p = frac(p * vec2(123.34, 345.45));
    p += dot(p, p + 34.345);
    return frac(p.x * p.y);
}