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本文将介绍如何使用着色器来进行几何造型,说到几何图形大家一定都不陌生,比如说三角形、圆形,接触过WebGL基础使用的小伙伴一定都知道怎么去在画布上绘制一个三角形,只要传入三个顶点坐标,并选择绘图模式,我们就能在WebGL的画布上画出一个三角形.
但是除了这种形式之外,我们还可以直接使用片元着色器进行几何造型,那么具体要怎么做呢,下面就以三角形作为例子来进行演示.
要实现三角形的绘制,我们需要先判断当前片元是否在三角形内部,也就是说在给片元上色之前,我们需要先计算出片元的色值.
假设我们已知三角形的三个顶点:
vec2(0.3),
vec2(0.5, 0.7),
vec2(0.7, 0.3)
那么我们就可以根据当前片元的纹理坐标和三角形三个顶点的坐标,计算片元与三角形的距离。下面我们会通过使用向量的叉乘和点乘来进行计算,对向量操作不太熟悉的小伙伴可以去找些资料复习一下,或者参考我前面的文章.
首先在片元着色器中定义一个函数,叫做line_distance,用于计算点到一条直线的距离,这里我们使用了向量的叉乘来计算,代码应该比较容易理解,就简单说一下,这里的参数st表示我们要判断的点,a和b分别表示直线上的两个点,因为这三个点都是平面上的点,叉积本身也是向量,所以直接取叉积Z轴的分量就是二维向量叉乘的结果。这个函数我们在后续会用于判断点是否在三角形内部.
// 点到直线的距离
float line_distance(in vec2 st, in vec2 a, in vec2 b) {
vec3 ab = vec3(b - a, 0);
vec3 p = vec3(st - a, 0);
return cross(p, normalize(ab)).z;
}
接着继续定义一个函数,叫做seg_distance,用于计算点到一条线段的距离,点与线段的距离我们分为两类情况考虑,一类是点在线段的上方或下方,这个时候点到线段的距离,就等于点到这条线段所在直线的距离,第二类是点在线段的左右两侧,此时点到线段的距离就是点到线段两个端点的距离中的较小值.
// 点到线段的距离
float seg_distance(in vec2 st, in vec2 a, in vec2 b) {
vec3 ab = vec3(b - a, 0);
vec3 p = vec3(st - a, 0);
float l = length(ab);
float d = abs(
cross(p, normalize(ab))
).z;
float proj = dot(p, ab) / l;
if (proj >= 0.0 && proj <=l) return d;
return min(distance(st, a), distance(st, b));
}
最后定义一个函数,叫做triangle_distance,用于计算点到三角形的距离,这属于一个自定义的距离概念,从代码上看准确来说应该是点到三条边的距离中的最小值。在这段代码中,我们定义内部的距离取负数,外部的距离为正.
// 点与三角形的距离
float triangle_distance(in vec2 st, in vec2 a, in vec2 b, in vec2 c) {
float d1 = line_distance(st, a, b);
float d2 = line_distance(st, b, c);
float d3 = line_distance(st, c, a);
if (d1 >= 0.0 && d2 >= 0.0 && d3 >= 0.0
|| d1 <= 0.0 && d2 <= 0.0 && d3 <= 0.0) {
return -min(abs(d1), min(abs(d2), abs(d3))); // 内部距离为负
}
return min(seg_distance(st, a, b), min(seg_distance(st, b, c), seg_distance(st, c, a))); // 外部距离为正
}
首先我们判断三组向量叉乘的结果,符号是否是一样的,如果是一样,说明当前点在三角形内部,那么点必然是在线段的上方,所以直接用三个叉积中的最小值.
如果点在三角形外部,就取点到三个线段距离中的最小值.
到这里我们就能得到片元与三角形的距离了.
float d = triangle_distance(
vUv,
vec2(0.3),
vec2(0.5, 0.7),
vec2(0.7, 0.3)
);
接着我们就利用这个距离来进行最简单的填充,将三角形的内部直接填充为白色.
gl_FragColor.rgb = (1.0 - smoothstep(0.0, 0.01, d)) * vec3(1.0);
当然除了填充之外,我们可以进行三角形的描边.
gl_FragColor.rgb = (smoothstep(-0.005, 0.0, d) - smoothstep(0.0, 0.005, d)) * vec3(1.0);
smoothstep(a, b, c)函数可能有些小伙伴不了解,这里简单说一下,这个函数接收3个参数.
所以其实上面的计算也可以反过来写.
那么看到这里,有些小伙伴可能就有疑问了,这感觉好像和直接用顶点画没什么区别,那么我们为什么要用着色器造型呢?答案其实很简单,就是它能帮助我们实现更多的图案效果。比如使用以下代码,可以实现三角环.
d = fract(20.0 * d);
gl_FragColor.rgb = (smoothstep(0.45, 0.5, d) - smoothstep(0.5, 0.55, d)) * vec3(1.0);
在这段代码中,将距离的值放大20倍,再取小数部分,就能实现重复的环。这种绘制方式叫做符号距离场渲染(SDF),这是图形渲染中的一个专有名词,本质上就是利用空间中的距离分布来着色,是着色器造型生成图案的基础方法。这种效果如果要用顶点来画就没这么简单了.
除了SDF,我们注意到代码中使用的是纹理坐标,所以着色器造型还可以配合纹理实现更多的效果,比如图片裁剪。下面我们来看一个简单的例子.
void main() {
vec4 color = texture2D(tMap, vUv);
float d = distance(vUv, vec2(0.5, 0.5));
gl_FragColor.rgb = (1.0 - smoothstep(0.4, 0.4005, d)) * color.rgb;
gl_FragColor.a = (1.0 - smoothstep(0.4, 0.4005, d));
}
这里我们定义的距离是片元到一个点的距离,根据这个距离我们能按照上面的方式绘制出一个圆心在0.5, 0.5的圆,同时我们现在还能将纹理按这个圆形裁剪出来,就还是蛮好用的效果.
在刚开始着色器几何造型的学习时,我也有点奇怪WebGL已经有顶点可以画图形了,为什么还要有这个着色器造型,看到符号距离场SDF的时候,才感觉出来是有区别哦,好像还挺有用的.
绘制的步骤简单来说就两步,第一步,确定计算距离的方式,第二步,根据距离给片元上色.
绘制三角形和圆形都还算简单的,我相信很多小伙伴看下来应该都能理解了,可以自己动手尝试一下,有兴趣的小伙伴还可以去尝试更多的图形,比如正多边形、椭圆等等这些图形,甚至是更复杂的图形.
完整代码参考 。
最后此篇关于WebGL:使用着色器进行几何造型的文章就讲到这里了,如果你想了解更多关于WebGL:使用着色器进行几何造型的内容请搜索CFSDN的文章或继续浏览相关文章,希望大家以后支持我的博客! 。
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