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着色器入门:符号距离函数!

作者: Julia Evans 译者: LCTT Starryi

| 2021-12-22 16:27      

大家好!不久前我学会了如何使用着色器制作有趣的闪亮旋转八面体:

我的着色器能力仍然非常基础,但事实证明制作这个有趣的旋转八面体比我想象中要容易得多(从其他人那里复制了很多代码片段!)。

我在做这件事时, 从一个非常有趣的叫做 符号距离函数教程:盒子和气球 的教程中学到了“符号距离函数”的重要思路。

在本文中,我将介绍我用来学习编写简单着色器的步骤,并努力让你们相信着色器并不难入门!

更高级着色器的示例

如果你还没有看过用着色器做的真正有趣的事情,这里有几个例子:

  1. 这个非常复杂的着色器就像一条河流的真实视频:https://www.shadertoy.com/view/Xl2XRW
  2. 一个更抽象(更短!)有趣的着色器,它有很多发光的圆圈:https://www.shadertoy.com/view/lstSzj

步骤一:我的第一个着色器

我知道你可以在 shadertoy 上制作着色器,所以我去了 https://www.shadertoy.com/new。它们提供了一个默认着色器,如下图所示:

代码如下:

void mainImage( out vec4 fragColor, in vec2 fragCoord )
{
    // 规范像素坐标 (从 0 到 1)
    vec2 uv = fragCoord / iResolution.xy;

    // 随时间改变像素颜色
    vec3 col = 0.5 + 0.5 * cos(iTime + uv.xyx + vec3(0, 2, 4));

    // 输出到屏幕
    fragColor = vec4(col, 1.0);
}

虽然还没有做什么令人兴奋的事情,但它已经教会了我着色器程序的基本结构!

思路:将一对坐标(和时间)映射到一个颜色

这里的思路是获得一对坐标作为输入(fragCoord),你需要输出一个 RGBA 向量作为此坐标的颜色。该函数也可以使用当前时间(iTime),图像从而可以随时间变化。

这种编程模型(将一对坐标和时间映射到其中)的巧妙之处在于,它非常容易并行化。我对 GPU 了解不多,但我的理解是,这种任务(一次执行 10000 个微不足道的可并行计算)正是 GPU 擅长的事情。

步骤二:使用 shadertoy-render 加快开发迭代

玩了一段时间的 shadertoy 之后,我厌倦了每次保存我的着色器时都必须在 shadertoy 网站上单击“重新编译”。

我找到了一个名为 shadertoy-render 命令行工具,它会在每次保存时实时查看文件并更新动画。现在我可以运行:

shadertoy-render.py circle.glsl

并更快地开发迭代!

步骤三:画一个圆圈

接下来我想 —— 我擅长数学!我可以用一些基本的三角学来画一个会弹跳的彩虹圈!

我知道圆的方程为(x^2 + y^2 = 任意正数!),所以我写了一些代码来实现它:

代码如下:(你也可以 在 shadertoy 上查看

void mainImage( out vec4 fragColor, in vec2 fragCoord )
{
    // 规范像素坐标 (从 0 到 1)
    vec2 uv = fragCoord / iResolution.xy;
    // 绘制一个中心位置依赖于时间的圆
    vec2 shifted = uv - vec2((sin(iGlobalTime) + 1) / 2, (1 + cos(iGlobalTime)) / 2);
    if (dot(shifted, shifted) < 0.03) {
        // 改变像素颜色
        vec3 col = 0.5 + 0.5 * cos(iGlobalTime + uv.xyx + vec3(0, 2, 4));
        fragColor = vec4(col, 1.0);
    } else {
        // 使圆之外的其他像素都是黑色
        fragColor = vec4(0,0, 0, 1.0);
    }
}

代码将坐标向量 fragCoord 与自身点积,这与计算 x^2 + y^2 相同。我还在这个圆圈的中心玩了一点花活 – 圆心为 vec2((sin(iGlobalTime) + 1)/ 2,(1 + cos(faster)) / 2,这意味着圆心也随着时间沿另一个圆移动。

着色器是一种学习数学的有趣方式!

我觉得有意思的(即使我们没有做任何超级高级的事情!)是这些着色器为我们提供了一种有趣的可视化方式学习数学 - 我用 sin 和 cos 来使某些东西沿着圆移动,如果你想更直观地了解三角函数的工作方式, 也许编写着色器会是一种有趣的方法!

我喜欢的是,可以获得有关数学代码的即时视觉反馈 - 如果你把一些东西乘以 2,图像里的东西会变得更大!或更小!或更快!或更慢!或更红!

但是我们如何做一些真正有趣的事情呢?

这个会弹跳的圆圈很好,但它与我见过的其他人使用着色器所做的非常奇特的事情相去甚远。那么下一步要做什么呢?

思路:不要使用 if 语句,而是使用符号距离函数!

在我上面的圆圈代码中,我基本上是这样写的:

if (dot(uv, uv) < 0.03) {
    // 圆里的代码
} else {
    // 圆外的代码
}

但问题(也是我感到卡住的原因)是不清楚如何将它推广到更复杂的形状!编写大量的 if 语句似乎不太好用。那人们要如何渲染这些 3d 形状呢?

所以!符号距离函数Signed distance function 是定义形状的另一种方式。不是使用硬编码的 if 语句,而是定义一个 函数,该函数告诉你,对于世界上的任何一个点,该点与你的形状有多远。比如,下面是球体的符号距离函数。

float sdSphere( vec3 p, float center )
{
  return length(p) - center;
}

符号距离函数非常棒,因为它们:

  • 易于定义!
  • 易于组合!如果你想要一个被切去一块的球体, 你可以用一些简单的数学来计算并集/交集/差集。
  • 易于旋转/拉伸/弯曲!

制作旋转陀螺的步骤

当我开始时,我不明白需要编写什么代码来制作一个闪亮的旋转东西。结果表明如下是基本步骤:

  1. 为想要的形状创建一个符号距离函数(在我的例子里是八面体)
  2. 光线追踪符号距离函数,以便可以在 2D 图片中显示它(或沿光线行进?我使用的教程称之为光线追踪,我还不明白光线追踪和光线行进之间的区别)
  3. 编写代码处理形状的表面纹理并使其发光

我不打算在本文中详细解释符号距离函数或光线追踪,因为我发现这个 关于符号距离函数的神奇教程 非常友好,老实说,它比我做的更好,它解释了如何执行上述 3 个步骤,并且代码有大量的注释,非常棒。

步骤四:复制教程代码并开始更改内容

我在这里使用了久负盛名的编程实践,即“复制代码并以混乱的方式更改内容,直到得到我想要的结果”。

最后一堆闪亮的旋转八面体着色器在这里:https://www.shadertoy.com/view/wdlcR4

动画出来的样子是这样的:

为了做到这一点,我基本上只是复制了关于符号距离函数的教程,该函数根据符号距离函数呈现形状,并且:

  • 将 sdfBalloon 更改为 sdfOctahedron,并使八面体旋转而不是在我的符号距离函数中静止不动
  • 修改 doBalloonColor 着色功能,使其有光泽
  • 有很多八面体而不是一个

使八面体旋转!

下面是我用来使八面体旋转的代码!事实证明这真的很简单:首先从 这个页面 复制一个八面体符号距离函数,然后添加一个 rotate 使其根据时间旋转,然后它就可以旋转了!

vec2 sdfOctahedron( vec3 currentRayPosition, vec3 offset ){
    vec3 p = rotate((currentRayPosition), offset.xy, iTime * 3.0) - offset;
    float s = 0.1; // s 是啥?
    p = abs(p);
    float distance = (p.x + p.y + p.z - s) * 0.57735027;
    float id = 1.0;
    return vec2( distance,  id );
}

用一些噪音让它发光

我想做的另一件事是让我的形状看起来闪闪发光/有光泽。我使用了在 这个 GitHub gist 中找到的噪声函数使表面看起来有纹理。

以下是我如何使用噪声函数的代码。基本上,我只是随机地将参数更改为噪声函数(乘以 2?3?1800?随你!),直到得到喜欢的效果。

float x = noise(rotate(positionOfHit, vec2(0, 0), iGlobalTime * 3.0).xy * 1800.0);
float x2 = noise(lightDirection.xy * 400.0);
float y = min(max(x, 0.0), 1.0);
float y2 = min(max(x2, 0.0), 1.0);
vec3 balloonColor = vec3(y, y + y2, y + y2);

编写着色器很有趣!

上面就是全部的步骤了!让这个八面体旋转并闪闪发光使我很开心。如果你也想用着色器制作有趣的动画,希望本文能帮助你制作出很酷的东西!

通常对于不太了解的主题,我可能在文章中说了至少一件关于着色器的错误事情,请让我知道错误是什么!

再说一遍,如下是我用到的两个资源:

  1. “符号距离函数教程:盒子和气球”:https://www.shadertoy.com/view/Xl2XWt(修改和玩起来真的很有趣)
  2. 可以将大量符号距离函数复制并粘贴到你的代码中:http://www.iquilezles.org/www/articles/distfunctions/distfunctions.htm

via: https://jvns.ca/blog/2020/03/15/writing-shaders-with-signed-distance-functions/

作者:Julia Evans 选题:lujun9972 译者:Starryi 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出



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LCTT 译者
Starryi 🌟🌟
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贡献时间:2020-08-12 -> 2022-01-02
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