【ShaderToy】开篇

写在前面

呜呼，好久没有写博客了，好惭愧。题外话，感觉越大就越想家，希望可以一直和家人在一起，哪怕只是坐在一起不说话也觉得很温暖，一想到要分开眼睛就开始酸，哎。开学还是爬上来老实更新博客学习吧~

今天爬上来一看，发现CSDN的博客编辑终于更新了！进步总是好的，以前的编辑器实在很捉急。使用这种标记语言的确方便了很多，但好像颜色字体没法设置？程序员果然对美观没什么追求。

ShaderToy

如果你还没听过ShaderToy，那你就真的错过了一个很好的shader学习网站。我是在群里有一次听到小伙伴们提到这个网站的。点进去就会发现里面有很多很绚丽的shader展示。

说简单点，这个网站是专门让人们分享和编写GLSL的pixel shaders的。换句话说，里面那些绚丽的效果仅仅依靠pixel shaders就可以完成了（当然还有纹理的配合），是不是很强大？里面的强人很多，就像头脑风暴一样，让你一次次发出惊叹，原来还可以这样做！但是，这里面也蕴含了很多数学和算法知识，所以你可能会经常发现自己脑袋不够用，跟不上作者的思路。。。不过，脑袋都是靠锻炼的嘛，没有捷径可走，多看多写总是没错的~

强烈建议大家先去逛一逛，有很多很好玩的东西，例如这个人写了一个莫比乌斯带，而这个人写了一个耀眼的小太阳！一开始你很难相信这些完全都是用shader计算出来的。

那些效果是怎么写出来的

很多人都在好奇那些绚丽的效果是怎么来的，比如iq刚写的这个效果：

这个效果用了什么Maya或3ds Max做出的模型吗？答案其实是没有的，没有任何外部的模型输入，纹理和模型都是由程序生成的。当你打开它的界面时，其实所有的输入和程序都一目了然：

Shadertoy的特点就是大家使用程序来产生各种模型、纹理、动画，所以让人惊叹！一个pixel shader+几张固定的简单的纹理，就能得到这么绚丽的结果！iq的这个新效果更是展示了这种方法能做到的程度——照片级的效果。

那么，他们到底是怎么做到的呢？这里简单提到一下，这种看似有建模效果的画面大部分都使用了raymarching的方法，iq的博客里有很多文章，大家可以去学习下。

特点

之前说了，这个网上的所有shader都是GLSL的pixel shaders。那么什么是pixel shader呢？如果我们需要渲染一个刚好铺盖整个屏幕的全屏的方形平板，那么这个方形的fragment shader就是一个pixel shader。这是因为此时，每一个fragment对应了屏幕上的一个pixel。也因此，pixel shader的很多输入都是相同的。在ShaderToy的每个shader上方，你都可以看到一个Shader Input：

uniform vec3      iResolution;           // viewport resolution (in pixels)
uniform float     iGlobalTime;           // shader playback time (in seconds)
uniform float     iChannelTime[4];       // channel playback time (in seconds)
uniform vec3      iChannelResolution[4]; // channel resolution (in pixels)
uniform vec4      iMouse;                // mouse pixel coords. xy: current (if MLB down), zw: click
uniform samplerXX iChannel0..3;          // input channel. XX = 2D/Cube
uniform vec4      iDate;                 // (year, month, day, time in seconds)
uniform float     iSampleRate;           // sound sample rate (i.e., 44100)

这些就是ShaderToy提供的公共变量，我们可以直接访问。例如，iResolution存储了屏幕分辨率，iGlobalTime提供了shader运行时间，iMouse提供了鼠标点击位置等等。

由于ShaderToy针对的是pixel shaders，这也意味着它们的vertex shaders都是一样的，只需要计算基本的顶点位置和屏幕位置即可。

在Unity中实践

Unity的出现的确给很多shader学习者一个方便的编译和展示平台，我们不再需要每次都用很多代码准备好顶点数据，每次都设置纹理，每次都设置MVP矩阵等等。Unity提供给我们更方便的可视化操作。

ShaderToy中很多shader都可以经过一点修改后在Unity中编译运行。当然，也有人这么干过了。例如这位博主。

为了方便后面的编写，我们可以写一个针对ShaderToy的基本模板shader。在这之前，我们有必要弄清楚ShaderToy的Shaders长什么样。如果你仔细观察，其实ShaderToy中的所有shader只有一个必不可少的函数：

void mainImage( out vec4 fragColor, in vec2 fragCoord )

它的输入是一个类型为vec2的fragCoord，对应输入的屏幕位置；输出一个vec4的fragColor，对应该pixel的颜色。很简单对不对！

那么现在我们就可以写出这个模板shader了。

Shader "Shadertoy/Template" { 
    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      

    #define vec2 float2
    #define vec3 float3
    #define vec4 float4
    #define mat2 float2x2
    #define mat3 float3x3
    #define mat4 float4x4
    #define iGlobalTime _Time.y
    #define mod fmod
    #define mix lerp
    #define fract frac
    #define texture2D tex2D
    #define iResolution _ScreenParams
    #define gl_FragCoord ((_iParam.scrPos.xy/_iParam.scrPos.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 scrPos : TEXCOORD0;   
    };              

    v2f vert(appdata_base v) {  
        v2f o;
        o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
        o.scrPos = ComputeScreenPos(o.pos);
        return o;
    }  

    vec4 main(vec2 fragCoord);

    fixed4 frag(v2f _iParam) : COLOR0 { 
        vec2 fragCoord = gl_FragCoord;
        return main(gl_FragCoord);
    }  

    vec4 main(vec2 fragCoord) {
        return vec4(1, 1, 1, 1);
    }

    ENDCG    

    SubShader {    
        Pass {    
            CGPROGRAM    

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

            ENDCG    
        }    
    }     
    FallBack Off    
}

代码比较简单。主要是在开头定义了一系列宏来和ShaderToy中的GLSL衔接。其中main函数对应了之前的mainImage函数。在后面，我们只需要在CGINCLUDE中定义其他函数，并填充main函数即可。

为了可以响应鼠标操作，我们还可以写一个C#脚本，以便在鼠标进行拖拽时将鼠标位置传递给shader。

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class ShaderToyHelper : MonoBehaviour {

    private Material _material = null;

    private bool _isDragging = false;

    // Use this for initialization
    void Start () {
        Renderer render  = GetComponent<Renderer>();
        if (render != null) {
            _material = render.material;
        }

        _isDragging = false;
    }

    // Update is called once per frame
    void Update () {
        Vector3 mousePosition = Vector3.zero;
        if (_isDragging) {
            mousePosition = new Vector3(Input.mousePosition.x, Input.mousePosition.y, 1.0f);
        } else {
            mousePosition = new Vector3(Input.mousePosition.x, Input.mousePosition.y, 0.0f);
        }

        if (_material != null) {
            _material.SetVector("iMouse", mousePosition);
        }
    }

    void OnMouseDown() {
        _isDragging = true;
    }

    void OnMouseUp() {
        _isDragging = false;
    }
}

代码很简单，在有鼠标拖拽时，mousePositon的Z分量为1，否则为0。这跟ShaderToy中判断鼠标的方式一致。

使用时，只要把该脚本拖拽到材质所在的物体上，同时保证该物体上有绑定Collider即可。

写在最后

ShaderToy绝大部分代码都是依靠强大的数学计算来完成的，因此真的是一次次头脑风暴。当然，一些人会觉得它对于现在火爆的移动终端来说用处不大，因为支持不了呗~不过，我还没工作，觉得锻炼下挺好的~在后面我会尽量定期每周更新一篇ShaderToy中的shader。总之，希望大家have fun~

P.S. 总觉得用新编辑器写出来的文章没原来好看。。。