写在前面
写前面一篇的时候，发现还是不够基础。因此打算增加几篇基础篇，从点线面开始，希望可以更好理解。
其实用Pixel Shader的过程很像在纸上绘画的过程。屏幕上的每一个像素对应了纸上的一个方格，如果你愿意，你甚至可以一个个判断像素的位置，从而画出任何你想画的图像，也的确有爱好者这么做过。但往往，我们需要的是一个动态的效果，这个效果往往依赖于数学公式的约束。我们可以说是，用数学去绘画。我们用数学去约束，哪些点应该用什么颜色去绘制。
这篇，我们从基本的点和线开始，看一下如何在Pixel Shader里面随心画出点和线。
在哪里画
在开始之前，有一个最基本的问题我们要计算清楚，就是如何知道当前计算的fragment的像素位置。在之前的开篇中，我们给出了模板。其中v2f结构里，有一个很重要的变量srcPos，它的计算如下：
v2f vert(appdata_base v) {
v2f o;
o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.srcPos = ComputeScreenPos(o.pos);
o.w = o.pos.w;
return o;
}
ComputeScreenPos是在UnityCG.cginc中定义的函数，它就作用如名字一样，计算该顶点转换到屏幕上的位置。但如果我们想要得到正确的屏幕位置，还需要在frag函数中这样：
fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 {
vec2 fragCoord = gl_FragCoord;
return main(gl_FragCoord);
}
其中：
// 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)
难懂的是 gl_FragCoord的定义。 (_iParam.srcPos.xy/_iParam.srcPos.w)将 得到在屏幕中归一化后的屏幕位置，即返回分量范围在(0, 1)的屏幕横纵坐标值。 屏幕的左下角值为(0, 0)，右上角值为(1, 1)。然后再乘以屏幕的长款像素值，就得到了该fragment对应的屏幕像素位置。这是我们后面计算的基础。
根据不同的需求，我们会在shader中对位置有不同的需求：有时我们想要得到如上的像素位置，有时我们想得到相对于屏幕中心的uv坐标等等。以下有五种常见的位置需求：
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
vec2 pos = fragCoord.xy / iResolution.xy; // pos.x ~ (0, 1), pos.y ~ (0, 1)
vec2 pos = fragCoord / min(iResolution.x, iResolution.y); // If iResolution.x > iResolution.y, pos.x ~ (0, 1.xx), pos.y ~ (0, 1)
vec2 pos =fragCoord.xy / iResolution.xy * 2. - 1.; // pos.x ~ (-1, 1), pos.y ~ (-1, 1)
vec2 pos = (2.0*fragCoord.xy-iResolution.xy)/min(iResolution.x,iResolution.y); // If iResolution.x > iResolution.y, pos.x ~ (-1.xx, 1.xx), pos.y ~ (-1, 1)
return vec4(1);
}
当然需求不同，一开始计算的pos也会不同。
画第一个点（圆）
在Shader中，一个点其实可以当成一个圆形。那么问题就变成了如何绘制一个圆：给定圆心在屏幕的位置（圆心像素值占屏幕的百分比），圆的半径（像素为单位），以及圆的颜色，如何绘制一个圆。
为此，我们先需要在Properties中声明两个参数：_Parameters和_Color：
Shader “shadertoy/Simple Circle” {
Properties{
_Parameters (“Circle Parameters”, Vector) = (0.5, 0.5, 10, 0) // Center: (x, y), Radius: z
_Color (“Circle Color”, Color) = (1, 1, 1, 1)
}
_Parameters的x和y分量表示圆心在屏幕中的uv值（即范围在(0, 1)），z分量是圆的半径，单位是像素。
圆在数学里面的表达式相对简单，即到圆心距离小于半径的点就在圆内。那么事情就变得简单了：只要在圆内的点就是用设置的颜色绘制，否则用背景色绘制（黑色）。
vec4 circle(vec2 pos, vec2 center, float radius, float4 color) {
if (length(pos - center) < radius) {
// In the circle
return vec4(1, 1, 1, 1) * color;
} else {
return vec4(0, 0, 0, 1);
}
}
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
// vec2 pos = fragCoord.xy / iResolution.xy; // pos.x ~ (0, 1), pos.y ~ (0, 1)
// vec2 pos = fragCoord / min(iResolution.x, iResolution.y); // If iResolution.x > iResolution.y, pos.x ~ (0, 1.xx), pos.y ~ (0, 1)
// vec2 pos =fragCoord.xy / iResolution.xy * 2. - 1.; // pos.x ~ (-1, 1), pos.y ~ (-1, 1)
// vec2 pos = (2.0*fragCoord.xy-iResolution.xy)/min(iResolution.x,iResolution.y); // If iResolution.x > iResolution.y, pos.x ~ (-1.xx, 1.xx), pos.y ~ (-1, 1)
return circle(pos, _Parameters.xy * iResolution.xy, _Parameters.z, _Color);
}
得到的效果如下：
我不要锯齿！
上面得到的圆在边缘处有一些小锯齿，这当然是我们无法忍受的拉！Shader中抗锯齿的原理大概是这样：由于原来非A即B的计算会使得A和B的交界处产生锯齿（例如上面圆的边界），因此我们只需要在A和B的边界平缓过渡即可。这往往需要透明度的配合，即使用透明度来混合颜色。
在shader中，一种常见的抗锯齿（平滑）操作是使用smoothstep函数（当然有人诟病这种方法不直观，但我觉得挺好用的。。。whatever~）。smoothstep函数在CG文档里面是这样的：
Interpolates smoothly from 0 to 1 based on x compared to a and b.
也就是说它的返回值范围总是在(0, 1)，也就是透明度的取值范围，这也是为何它在抗锯齿领域如此受欢迎的原因了吧。
这样，我们就可以改写原来的circle函数：
vec4 circle(vec2 pos, vec2 center, float radius, float3 color, float antialias) {
float d = length(pos - center) - radius;
float t = smoothstep(0, antialias, d);
return vec4(color, 1.0 - t);
}
antialias就是平滑过渡的边界范围。为了方便调试，我们可以在shader中利用_Parameters的z分量作为抗锯齿因子，当然在实际工程中可以设为定值。接下来就是和背景颜色进行混合，我们使用的是lerp函数（在ShaderToy中对应的是mix函数）：
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
vec4 layer1 = vec4(_BackgroundColor.rgb, 1.0);
vec4 layer2 = circle(pos, _Parameters.xy * iResolution.xy, _Parameters.z, _CircleColor.rgb, _Parameters.w);
return mix(layer1, layer2, layer2.a);
}
完整代码如下：
Shader “shadertoy/Simple Circle” {
Properties{
_Parameters (“Circle Parameters”, Vector) = (0.5, 0.5, 10, 1) // Center: (x, y), Radius: z
_CircleColor (“Circle Color”, Color) = (1, 1, 1, 1)
_BackgroundColor (“Background Color”, Color) = (1, 1, 1, 1)
}
CGINCLUDE
#include "UnityCG.cginc"
#pragma target 3.0
#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)
float4 _Parameters;
float4 _CircleColor;
float4 _BackgroundColor;
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(vec2 fragCoord);
fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 {
vec2 fragCoord = gl_FragCoord;
return main(gl_FragCoord);
}
vec4 circle(vec2 pos, vec2 center, float radius, float3 color, float antialias) {
float d = length(pos - center) - radius;
float t = smoothstep(0, antialias, d);
return vec4(color, 1.0 - t);
}
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
vec4 layer1 = vec4(_BackgroundColor.rgb, 1.0);
vec4 layer2 = circle(pos, _Parameters.xy * iResolution.xy, _Parameters.z, _CircleColor.rgb, _Parameters.w);
return mix(layer1, layer2, layer2.a);
}
ENDCG
SubShader {
Pass {
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest
ENDCG
}
}
FallBack Off
}
抗锯齿效果如下：
画两个点
我们现在来看看如何画出更多的点。之前的circle函数已经可以画出任何一个大小、圆心的圆了，现在的问题仅仅是如何将这些元素都添加到画布上。一种基本的思想就是图层叠加，这很像我们在Photoshop中做的事情：背景在最后一层，我们只需要增加新的图层，并确保它们按层级顺序一层层向上排列即可。所以，我们可以这样做：
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
vec4 layer1 = vec4(_BackgroundColor.rgb, 1.0);
vec2 point1 = vec2(0.3, 0.8);
vec2 point2 = vec2(0.8, 0.2);
vec4 layer2 = circle(pos, point1 * iResolution.xy, _Parameters.z, _CircleColor.rgb, _Parameters.w);
vec4 layer3 = circle(pos, point2 * iResolution.xy, _Parameters.z, _CircleColor.rgb, _Parameters.w);
vec4 fragColor = mix(layer1, layer2, layer2.a);
fragColor = mix(fragColor, layer3, layer3.a);
return fragColor;
}
上面的代码中，我们绘制了两个圆，一个圆心位置在(0.3, 0.8)处，一个在(0.8, 0.2)处。 layer1仍旧是背景层， layer2和 layer1分别表示两个圆所在图层。我们按照层级顺序依次调用 lerp函数（也就是代码中的mix函数）即可以混合这些元素。结果如下：
这种思想可以延伸到任意层数的元素叠加~
画一条直线
现在，我们已经知道了直线上的两个点，那么我们来看看如何画出过这两个点的直线。首先，我们可以声明一个空的画直线的函数，并且添加一个新的图层给它，后续再填充这个函数：
vec4 line(vec2 pos, vec2 point1, vec2 point2, float width, float3 color, float antialias) {
return vec4(0);
}
vec4 circle(vec2 pos, vec2 center, float radius, float3 color, float antialias) {
float d = length(pos - center) - radius;
float t = smoothstep(0, antialias, d);
return vec4(color, 1.0 - t);
}
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
vec2 point1 = vec2(0.3, 0.8) * iResolution.xy;
vec2 point2 = vec2(0.8, 0.2) * iResolution.xy;
vec4 layer1 = vec4(_BackgroundColor.rgb, 1.0);
vec4 layer2 = line(pos, point1, point2, _LineWidth, _LineColor.rgb, _Antialias);
vec4 layer3 = circle(pos, point1, _CircleRadius, _CircleColor.rgb, _Antialias);
vec4 layer4 = circle(pos, point2, _CircleRadius, _CircleColor.rgb, _Antialias);
vec4 fragColor = mix(layer1, layer2, layer2.a);
fragColor = mix(fragColor, layer3, layer3.a);
fragColor = mix(fragColor, layer4, layer4.a);
return fragColor;
}
为了方便，上面新定义了几个参数。后面会给出完整代码，但我相信这里也很好懂。对于图层的顺序我也进行了调增，即第二层为直线，后面是点图层，这是因为我们希望点的颜色可以覆盖直线颜色。保存后返回查看结果，是没有任何变化的，因为此时直线图层返回的颜色的透明度为0。
注意了！！！现在又到了数学魅力展现的时刻了！！！绘制直线的思想其实和圆很类似，我们只需要判断像素位置是否在直线内（因为这里的直线是有宽度的）就可以了：判断像素点到直线的距离是否小于直线宽度的一半。那么，我们只需要回想起当年的点到直线距离公式。你是不是忘记了！！！这里直接给出答案了，公式也很简单：
vec4 line(vec2 pos, vec2 point1, vec2 point2, float width, float3 color, float antialias) {
float k = (point1.y - point2.y)/(point1.x - point2.x);
float b = point1.y - k * point1.x;
float d = abs(k * pos.x - pos.y + b) / sqrt(k * k + 1);
float t = smoothstep(width/2.0, width/2.0 + antialias, d);
return vec4(color, 1.0 - t);
}
我们先求出了直线公式的参数k和b（y = k * x + b）。这里没有进行高中时期的临界判断，但shader也没有报错呦~然后，我们计算像素点到直线的距离d。在计算透明度因子t的时候，我们考虑了直线的宽度，这意味着，当距离d小于width/2.0的时候将返回0，也就是说该点绝对在直线内；再通过反锯齿因子进行抗锯齿计算。
很简单有木有！！！效果如下：
完整的代码如下：
Shader “shadertoy/Simple Line” {
Properties{
_CircleRadius (“Circle Radius”, float) = 5
_CircleColor (“Circle Color”, Color) = (1, 1, 1, 1)
_LineWidth (“Line Width”, float) = 5
_LineColor (“Line Color”, Color) = (1, 1, 1, 1)
_Antialias (“Antialias Factor”, float) = 3
_BackgroundColor (“Background Color”, Color) = (1, 1, 1, 1)
}
CGINCLUDE
#include "UnityCG.cginc"
#pragma target 3.0
#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)
float _CircleRadius;
float4 _CircleColor;
float _LineWidth;
float4 _LineColor;
float _Antialias;
float4 _BackgroundColor;
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(vec2 fragCoord);
fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 {
vec2 fragCoord = gl_FragCoord;
return main(gl_FragCoord);
}
vec4 line(vec2 pos, vec2 point1, vec2 point2, float width, float3 color, float antialias) {
float k = (point1.y - point2.y)/(point1.x - point2.x);
float b = point1.y - k * point1.x;
float d = abs(k * pos.x - pos.y + b) / sqrt(k * k + 1);
float t = smoothstep(width/2.0, width/2.0 + antialias, d);
return vec4(color, 1.0 - t);
}
vec4 circle(vec2 pos, vec2 center, float radius, float3 color, float antialias) {
float d = length(pos - center) - radius;
float t = smoothstep(0, antialias, d);
return vec4(color, 1.0 - t);
}
vec4 main(vec2 fragCoord) {
vec2 pos = fragCoord; // pos.x ~ (0, iResolution.x), pos.y ~ (0, iResolution.y)
vec2 point1 = vec2(0.4, 0.1) * iResolution.xy;
vec2 point2 = vec2(0.7, 0.8) * iResolution.xy;
vec4 layer1 = vec4(_BackgroundColor.rgb, 1.0);
vec4 layer2 = line(pos, point1, point2, _LineWidth, _LineColor.rgb, _Antialias);
vec4 layer3 = circle(pos, point1, _CircleRadius, _CircleColor.rgb, _Antialias);
vec4 layer4 = circle(pos, point2, _CircleRadius, _CircleColor.rgb, _Antialias);
vec4 fragColor = mix(layer1, layer2, layer2.a);
fragColor = mix(fragColor, layer3, layer3.a);
fragColor = mix(fragColor, layer4, layer4.a);
return fragColor;
}
ENDCG
SubShader {
Pass {
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest
ENDCG
}
}
FallBack Off
}
写在最后
这篇写的很基础，但有些知识是值得真实项目里借鉴的。有些人说ShaderToy里的只是玩具，没有价值，我个人是不这么觉得啦游戏里很多细腻的动画效果是无法仅仅靠贴图来完成的，了解些基本或者稍微复杂一点的shader计算还是很有好处滴
最后，关于ShaderToy的用处，还有一点就是我们可以自己改进成非Pixel Shader的版本，例如利用模型的uv坐标去代替屏幕坐标等等。更多的用处等待自己去发现啦！