Shader绘制2D圆-学习Cherno教程笔记-(OpenGL/Vulkan/DirectX/Metal)-新手向

news2024/9/20 15:35:51

文章目录

  • 相关网址
  • 前言
  • 基本实现画一个圆步骤
    • 1.初步-根据长度绘画圆
    • 2.初步-根据1-length(uv)绘画圆
    • 3.正式-绘画白色形状的圆
      • (1)if逻辑代码实现
      • (2)用shader的step函数
  • 完善圆-实现绘画手环圆
    • 1.if逻辑代码实现
    • 2.用step函数代替if
  • 用smoothstep代替step函数
    • 1.smoothstep函数
    • 2.使用smoothstep
    • 3.完善shader代码
  • 用smoothstep的小Bug
    • 1.Bug说明
    • 2.解决方法
      • 方法一
      • 方法二
  • 测试smoothstep(edg0, edg1, distance)

相关网址

Cherno原视频网址：https://www.youtube.com/watch?v=xf7Y988cPRk

shader网站：https://www.shadertoy.com/

GLSL函数解释网址：https://docs.gl/

此文是记录对第一个网址学习的笔记和思考的过程。

鄙人作为shader初学者，文中应该会有错误，欢迎指正。

前言

  • 基本思路

    用Quad顶点包围一个范围作为画布（Canvas）用glsl控制画出一个圆内alpha为1，圆外的范围的alpha为0。
    在这里插入图片描述

  • 如何控制在圆内的alpha为1，圆外的alpha为0

    用当前坐标点距离原点的长度、step函数来控制

基本实现画一个圆步骤

1.初步-根据长度绘画圆

  • shader和效果图

在这里插入图片描述

  • 说明

    1. uv相当于在xy坐标系的坐标，xy坐标系的原点在中心

    2. length(uv) = sqrt(u*u+v*v) 即长度

    3. 原点的坐标是(0, 0)，distance是0，所以是黑色

      假设x点(0, 0.5), distance是0.5，所以是灰色

    所以形成

    • 靠近原点的颜色是黑色
    • 远离原点的颜色是灰色

2.初步-根据1-length(uv)绘画圆

  • shader+效果图
    在这里插入图片描述

  • 说明

    distance= 1-length(uv);

    原点的坐标是(0, 0)，length(uv)是0，被1减去后，是白色1

    假设边缘点x(0, 1), length(uv)是1，被1减去后，是黑色0

    所以形成翻转颜色的效果

    • 原先靠近圆心是黑色0，远离圆心逐渐递增到白色1

    • 现在靠近圆心是白色1，远离圆心逐渐递减到黑色0

3.正式-绘画白色形状的圆

(1)if逻辑代码实现

  • shader代码+效果图

在这里插入图片描述

  • 说明

    if(distance > 0.0){
	distance = 1.0;
}

    表示原先大于0.0的颜色都白色，即灰色都是白色

(2)用shader的step函数

  • shader代码+效果图

在这里插入图片描述

  • 说明

    step(edge0, x); x<edge0 返回0，x>edge0 返回1

    step函数作用同

    if(distance > 0.0){
	distance = 1.0;  
}

    step(0, x);函数图像

    在这里插入图片描述
    从线性变成阶梯型

完善圆-实现绘画手环圆

1.if逻辑代码实现

  • shader+效果

在这里插入图片描述

  • 说明

    • 原本靠近圆心的distance为1，颜色为白色1，远离圆心的distance逐渐从1降为0，颜色从白色1到黑色0。

      但经历下面代码后成上图所示

      if(distance > 0.1){
	col = vec3(0.0);
}

    • 被白色包围的黑色范围形成说明

      以圆心为出发点，length(uv)在(0, 0.9)范围内的distance为(1, 0.1)，满足if条件，使颜色为黑色0。

    • 白色范围

      以圆心为出发点，length(uv)在(0.9, 1)范围内的distance为(0.1, 0)，不满足if条件，使颜色依旧是白色0。

    • 白色外面的黑色范围形成说明

      以圆心为出发点，length(uv)在(1, 1.1)范围内的distance为(0, -0.1)，虽然不满足if条件不受第13行if代码块的影响，但是受第12行代码step函数的影响，早已为黑色。

    所以白色范围length为(0.9, 1)

2.用step函数代替if

  • shader+效果

在这里插入图片描述

  • 说明

    • col *= vec3(1.0 - step(0.02, distance))的作用相当于

      if(distance > 0.1){
	col = vec3(0.0);
}

    • 设第13行*以的中间值c2如下

      c2 = vec3(1 - step(0.02, distance));// step(0.02, distance)使得大于0.02的为1，小于0.02的为0

    • c2的值

      以圆心为出发点，length(uv)在(0, 0.98)范围内的distance为(1, 0.02)，step(0.02, distance)后为1，被1减去后，为黑色0

      以圆心为出发点，length(uv)在(0.98, 1)范围内的distance为(0.02, 0)，step(0.02, distance)后为0，被1减去后，为白色1

    • col的值-第11行的代码，并执行第13行的*代码

      vec3 col = vec3(step(0.0, distance));
col *= c2;

      以圆心为出发点，length(uv)在(0, 0.98)范围内的distance为(1, 0.02)的col是白色1，与上述同范围的c2黑色0相乘为0黑色。

      以圆心为出发点，length(uv)在(0.98, 1)范围内的distance为(0.02, 0)的col是白色1，与上述同范围的c2白色1相乘为1白色。

    所以白色的范围length是(0.98, 1)，所以很小

用smoothstep代替step函数

1.smoothstep函数

  • 说明

    https://docs.gl/sl4/smoothstep

    // 当edge0 < edge1时，当x < edg0时，返回0，当x > edg1时，返回1，当x在edg0和edg1之间时，返回x。
// 当edge1 < edge0时，当x < edg1时，返回1，当x > edg0时，返回0，当x在edg0和edg1之间时，返回x。这个有点难理解，是我在下面情况测试出来的，没有官方说明，也许不对
// 当edge0 = edge1 ,smoothstep退化成step（0除外）
smoothstep(edge0, edge1, x);

    等同于

    genType t;
t = clamp((x - edge0) / (edge1 - edge0), 0.0, 1.0);
return (3.0 - 2.0 * t) * t * t;

    自己测试smoothstep的结论，测试过程在后面

    // 当edge1 < edge0时，当x < edg1时，返回1，当x > edg0时，返回0，当x在edg0和edg1之间时，返回x。
// 当edge0 = edge1 ,smoothstep退化成step
// 但当edge0=edge1=0,smoothstep(edge0,edge1,x);无论x是什么都返回0！
smoothstep(edge0, edge1, x);

  • 表示的阶梯型函数图形

    在这里插入图片描述

    如图所示，在e0 e1范围更平滑，不像step那么突兀

2.使用smoothstep

  • 代替后的shader代码+效果图

    在这里插入图片描述

    // 其中fade = 0.005，即smoothstep的第二个参数
第16行替换成smoothstep函数是给外圈边缘平滑过渡的
第17行替换成smoothstep函数是给内圈边缘平滑过渡的

    在这里插入图片描述

3.完善shader代码

  • 当前代码的不足

    由于之前第17行代码有点冗余，所以可以简短一点，写完如下，效果依旧保持良好不变

    在这里插入图片描述

    即

    vec3(smoothstep(thickness, thickness - fade, distance));
等价于
vec3(1.0 - smoothstep(thickness - fade, thickness, distance));

  • 第17行代码说明

    • 简要说明

      原先是递增，改后是递减

    • 翻转图示

      在这里插入图片描述

      在这里插入图片描述

      原先小于0.095为0，大于0.1是1=>现变成小于0.095为1，大于0.1为0

    • 结合代码和效果图具体说明

      • 原先的效果-递增
      c2 = vec3(1 - smoothstep(0.1 - 0.005, 0.1, distance));
// distance < 0.095 为0，distance > 0.1为1
c2 = vec3(1 - smoothstep(0.095, 0.1, distance));

      length(uv)在(0, 0.9)范围内的distance为(1, 0.1)，smoothstep后为1，被1减去后，为黑色0

      length(uv)在(0.9, 0.905)范围内的distance为(0.1, 0.095)，smoothstep后为不变，被1减去后，为平缓的白色(0.9, 0.905)之间

      length(uv)在(0.905, 1)范围内的distance为(0.095, 0)，smoothstep后为0，被1减去后，为白色1

      • 改后的效果-递减

      说明当edge0 > edge1时函数的意义发生变化，这个变化上面介绍smoothstep时也说了，只不过并没有官方说明，也没问过人，不知是否正确，如有错，欢迎指正。

      c2 = vec3(smoothstep(0.1, 0.1 - 0.005, distance))
// distance < 0.095 为1,distance > 0.1为0，
c2 = vec3(smoothstep(0.1, 0.095, distance))

      length(uv)在(0, 0.9)范围内的distance为(1, 0.1)，>0.1，smoothstep后为黑色0

      length(uv)在(0.9, 0.905)范围内的distance为(0.1, 0.095)，smoothstep后为不变，被1减去后，为平缓的白色(0.9, 0.905)之间

      length(uv)在(0.905, 1)范围内的distance为(0.095, 0)，<0.095，smoothstep后为白色1

      所以结果不变。

  • 验证：

    这段有点不好说明，可以跳过，是用OpenGL的glsl测试smoothstep函数

    • glsl关键代码

      ....
// fragment阶段
void main()
{
	float distance = 1.0 - length(Input.LocalPosition);// distance = 1-圆心的距离
	float circle = smoothstep(0.5, Input.Fade, distance);
	o_Color = vec4(circle, circle, circle, 1);
}

      可见，Input.Fade是变量，可以调节它是否小于0.5还是大于0.5，来验证上述是否正确

    • 当Fade=0.51大于0.5时

      在这里插入图片描述

      float circle = smoothstep(0.5, 0.51, distance);

      • 圆内白色：

        distance在(1, 0.51)范围，>(大于)0.51,smoothstep后circle是白色1。

      • 圆外黑色：

        distance在(0.5, 0)范围，<(小于)0.5,smoothstep后circle是黑色0。

    • 当Fade=0.483小于0.5时

      在这里插入图片描述

      float circle = smoothstep(0.5, 0.483, distance);

      • 圆内黑色：

        distance在(1, 0.5)范围，>(大于)0.5,smoothstep后circle是黑色0。

      • 圆外白色：

        distance在(0.483, 0)范围，<(小于)0.483,smoothstep后circle是白色1。

用smoothstep的小Bug

1.Bug说明

  • 当thickness=1时，会导致中间有一个很小很小的黑色洞

    在这里插入图片描述

  • 解释——待实际验证

    由smoothstep的减法导致的

    // distance < 0.995 为1,distance > 1为0
c2 = vec3(smoothstep(1, 0.995, distance))

    注意：由图像所示，不止>1，接近1的位置也是0

    在这里插入图片描述

    length(uv)在(0, 0.002)范围内的distance为(1, 0.998)，在(0.995，1）之间，但是0.998靠近1，smoothstep后为接近黑色0，所以原点呈现黑色。

    tips：这是我自己猜的，有待验证和询问别人，还是那句话，欢迎指正。

2.解决方法

方法一

初始化thickness += fade，可以解决洞的问题

在这里插入图片描述

  • 解释——待实际验证

    // distance < 1 为1,distance > 1.005为0
c2 = vec3(smoothstep(1.005, 1, distance))

    length(uv)在(0, 0.002)范围内的distance为(1, 0.998)，不在(1.005，1）之间，而是<1，smoothstep后为白色1。

    tips：欢迎指正

方法二

推荐，代码更好看吧

  • 解决方式

    将thickness+fade代码写入smoothstep中

    在这里插入图片描述

  • 解释——同上

    // distance < 1 为1,distance > 1.005为0
c2 = vec3(smoothstep(1.005, 1, distance))

    length(uv)在(0, 0.002)范围内的distance为(1, 0.998)，不在(1.005，1）之间，而是<1，smoothstep后为白色1。

    tips：如有错，欢迎指正

  • 新问题

    会有新问题，即thickness=0时，fade=0.005时，有个0.005的厚度薄圆轮廓（如上两个箭头所指）

  • 解决方法

    这问题迫不得已，cherno没说解决方案。

    我自己测试，当thickness=0时，只需调整fade为0就不会有薄圆了

  • 说明为何有效

    1.先说薄圆轮廓产生原因

    设fade= 0.1， thickness = 0

    float distance = 1.0 - length(uv); 
vec3 col = vec3(smoothstep(0, 0.1, distance)); 
// distance < 0 为1，distance > 0.1为0
col *= vec3(smoothstep(0.1, 0, distance));

    • uv为圆内黑色范围的点

      length(uv)在(0, 0.9)范围

      1.distance > 0.1
2.col = 1
3.col = 1 * 0 = 0;// * 0因为distance > 0.1为0

      所以呈现黑色

    • uv为圆上薄圆轮廓范围的点

      length(uv)在(0.9, 1)范围

      1.0 < distance < 0.1
2.0 < col < 0.1
3.col = (0,0.1) * (0, 0.1) = (0, 1);

      所以呈现薄圆

    2.将fade=0时，薄圆消失

    设fade= 0， thickness = 0

    float distance = 1.0 - length(uv); 
vec3 col = vec3(smoothstep(0, 0, distance));

col *= vec3(smoothstep(0, 0, distance));

    不管distance是多少，smoothstep(0, 0, distance)返回0，所以col是黑色，与背景融合在一起，所以轮廓消失。

测试smoothstep(edg0, edg1, distance)

  • edge0=edge1=0

    void main()// 部分glsl的fragment代码
{
	float distance = 1.0 - length(Input.LocalPosition);// distance = 1-圆心的距离
	float circle = smoothstep(0, 0, distance);
	o_Color = vec4(circle, circle, circle, 1);
}

    结果

    在这里插入图片描述

    说明smoothstep(0, 0, distance);返回0

  • edge0=edge1=0.2

    void main()// 部分glsl的fragment代码
{
	float distance = 1.0 - length(Input.LocalPosition);// distance = 1-圆心的距离
	float circle = smoothstep(0.2, 0.2, distance);
	o_Color = vec4(circle, circle, circle, 1);
}

    在这里插入图片描述

    白色范围因distance>0.2所以smoothstep(0.2, 0.2, distance)返回1

    黑色范围因distance<0.2所以smoothstep(0.2, 0.2, distance)返回0

  • edge0=edge1=0.8

    void main()// 部分glsl的fragment代码
{
	float distance = 1.0 - length(Input.LocalPosition);// distance = 1-圆心的距离
	float circle = smoothstep(0.8, 0.8, distance);
	o_Color = vec4(circle, circle, circle, 1);
}

    在这里插入图片描述

    白色范围因distance>0.8所以smoothstep(0.8, 0.8, distance)返回1

    黑色范围因distance<0.8所以smoothstep(0.8, 0.8, distance)返回0

结论

smoothstep(0, 0, distance);返回0
smoothstep(0.2, 0.2, distance);退化成step(0.2, distance);distance大于0.2返回1，小于0.2返回0
smoothstep(0.8, 0.8, distance);退化成step(0.8, distance);distance大于0.8返回1，小于0.8返回0

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