OpenGL Shader实例分析（7）雪花飘落效果

研究了一个雪花飘落效果，感觉挺不错的，分享给大家，效果如下：

代码如下：

Shader "shadertoy/Flakes" { // https://www.shadertoy.com/view/4d2Xzc
 Properties{
 iMouse ("Mouse Pos", Vector) = (100,100,0,0)
 iChannel0("iChannel0", 2D) = "white" {}
 iChannelResolution0 ("iChannelResolution0", Vector) = (100,100,0,0)
 }

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

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

 fixed4 iMouse;
 sampler2D iChannel0;
 fixed4 iChannelResolution0;

 struct v2f {
  float4 pos : SV_POSITION;
  float4 srcPos : TEXCOORD0;
 };  

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

 vec4 main(v2f _iParam);

 fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 {
 return main(_iParam);
 } 

 vec4 main(v2f _iParam) {
 vec2 p = gl_FragCoord.xy/iResolution.xy;
 vec3 col = vec3(0,0,0);
 float dd = 150;
 for( int i=0; i<dd; i++ )
 {
  float an = 6.2831*float(i)/dd;
  vec2 of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.6*cos(7.0*an+iGlobalTime)) + vec2( 0.0, iGlobalTime );
  col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
  col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 5.0*of/iResolution.xy ).xyz );
 }
 col = pow( col, vec3(1.0,2.0,3.0) ) * pow( 4.0*p.y*(1.0-p.y), 0.2);

 return vec4( col, 1.0 );
 }

 ENDCG 

 SubShader {
 Pass {
  CGPROGRAM 

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

  ENDCG
 }
 }
 FallBack Off
}

代码分析：

1）七边形雪花的绘制算法

具体代码如下：

float dd = 150;
for( int i=0; i<dd; i++ )
{
 float an = 6.2831*float(i)/dd;
 vec2 of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.6*cos(7.0*an+iGlobalTime)) + vec2( 0.0, iGlobalTime );
 col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
 col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 5.0*of/iResolution.xy ).xyz );
}

在理解这段代码前，先理解怎么画一个圈，代码如下：

float dd = 30;
for( int i=0; i<dd; i++ )
{
 float an = 6.2831*float(i)/dd;
 vec2 of = vec2( cos(an), sin(an) );
 col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
}

然后再准备一张贴图，图片中间是一个白色像素，周围都是黑色

效果如下：

这段代码处于fragment shader中，意味着屏幕上每个点都会进行上述的算法。具体如下，遍历贴图中该点周围的点（上面的代码中为距离该点为20单位的圆上的点），把周围点中最亮的作为该点的颜色。 上面的贴图有点特殊，只有一个点是白色，其余点都是黑色的。那么只有距离该点正好为20单位的点才会变成亮色，其余的点都是黑色，如上图的结果。一句话总结上面算法的效果：贴图中的每一个“相对亮点”的周围都会产生“相对亮的特定图形”，图形的亮度取决于该点的亮度，越亮越明显。效果可以参考文末的图片。

接下来理解这段代码：

float dd = 150;
for( int i=0; i<dd; i++ )
{
 float an = 6.2831*float(i)/dd;
 vec2 of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.7*cos(7.0*an));
 col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 20*of/iResolution.xy ).xyz );
// col = max( col, texture2D( iChannel0, p + 5.0*of/iResolution.xy ).xyz );
}

输出结果如下：

a)  1.0+0.7*cos(7.0*an)的图像如下：

b）算法中 of 向量的路径为：

结果就很清晰了；其实这里算法和《【OpenGL】Shader实例分析（二）－ Heart》中绘制心形的算法很类似。

最后加上时间就可以实现动画了：

vec2 of = vec2( cos(an), sin(an) ) * (1.0+0.6*cos(7.0*an+iGlobalTime)) + vec2( 0.0, iGlobalTime );

第一个iGlobalTime，用来控制雪花的旋转，第二个iGlobalTime使雪花下落。

2）后期颜色等处理

这里可以理解为一种postEffect处理，具体是如下的代码贡献的效果：

col = pow( col, vec3(1.0,2.0,3.0) ) * pow( 4.0*p.y*(1.0-p.y), 0.2);

a)  pow(col, vec3(1.0, 2.0, 3.0)) 这句话使得颜色变成暖色调。col值的范围为[0,1]，对小数继续pow运算，次数越高，该值越小。比如：0.5的1次方是0.5， 2次方为0.25， 3次方为0.125等；所以这句话的作用很明显：red成份不变，green变小一些，blue变的更小。达到的效果，使得整体颜色会偏向暖色调。

b）pow(4.0*p.y*(1.0-p.y), 0.2) 使得屏幕上下两边变暗。

最后附上shader中用到的贴图：

经过程序处理后，得到如下：

文章完毕，欢迎讨论。

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