Unity中实现ShaderToy卡通火（原理实现篇）

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前言

在上一篇文章中，我们实现卡通火ShaderToy到ShaderLab的移植。在这篇文章中，我们来解析一下其原理。

我们在分析时，需要从整体到局部。
依次从输出结果倒着逐步分解，这样对于复杂的效果就不会迷失目标。

• Unity中实现ShaderToy卡通火（移植篇）

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一、我们在片元着色器中，实现卡通火的大体框架

• 在片元着色器中，我们可以看出主要实现的几个功能

			fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target
            {
                float2 uv = i.uv;
                uv.x *= 4.0;
                float t = _Time.y * 3.0;
                float3 col = 0;

                float noise = getNoise(uv, t);
                //shape _CUTOFF to get higher further up the screen
                _CUTOFF = uv.y;
                //and at horiz edges
                _CUTOFF += pow(abs(uv.x * 0.5 - 1.), 1.0);

                //debugview _CUTOFF field
                //fragColor = float4(float3(_CUTOFF),1.0);   

                if (noise < _CUTOFF)
                {
                    //black
                    col = 0;
                }
                else
                {
                    //fire
                    float d = pow(getDepth(noise), 0.7);
                    float3 hsv = float3(d * 0.17, 0.8 - d / 4., d + 0.8);
                    col = hsv2rgb(hsv);
                }
                
                return float4(col, 1.0);
            }

1、使用 noise 和 _CUTOFF 判断作为显示火焰的区域

if (noise < _CUTOFF)
{
	//black
	col = 0;
}
else
{
	//fire
	float d = pow(getDepth(noise), 0.7);
	float3 hsv = float3(d * 0.17, 0.8 - d / 4., d + 0.8);
	col = hsv2rgb(hsv);
}

• black部分（当在遮罩范围外时，返回黑色）

• fire部分（显示 火的形状 和 火的着色）

1. hsv2rgb : 由 hsv 转化为 RGB 色
   

2. hsv : 色相、饱和度、亮度
   

3. d ：使用pow调节色阶范围

4. getDepth(noise) ： 将黑白灰渐变色分离成几个色阶，以表现卡通效果
   

2、_CUTOFF ： 用于裁剪噪波范围的三角形

• 可以看出这就是我们卡通火的大概轮廓
  
  三角形两侧都是 1（白色），在比较时，小于1的部分都显示黑色。

3、noise = getNoise(uv, t); : 噪波函数

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二、顺着大体框架依次解析具体实现的功能

fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target
{
	float2 uv = i.uv;
	uv.x *= 4.0;
	float t = _Time.y * 3.0;
	float3 col = 0;
	
	float noise = getNoise(uv, t);
	//shape : 模拟出火焰大体形态（三角形）
	 _CUTOFF = uv.y;
	//and at horiz edges
	_CUTOFF += pow(abs(uv.x * 0.5 - 1.), 1.0);
	
	if (noise < _CUTOFF)
	{
		 //black
		col = 0;
	}
	else
	{
		//fire
		//计算得到 火的轮廓
		float d = pow(getDepth(noise), 0.7);
		//计算得到 色相、明度、饱和度
		loat3 hsv = float3(d * 0.17, 0.8 - d / 4., d + 0.8);
		//将 HSV 转化为 RGB
		col = hsv2rgb(hsv);
	}
	                
	return float4(col, 1.0);
}

1、 uv.x *= 4.0; : 使用 uv 在 x 轴上的值，从(0,1)扩大到(0,4)

2、noise = getNoise(uv, t); : 噪波函数

//获取整屏的噪波效果
float getNoise(float2 uv, float t)
{
	//given a uv coord and time - return a noise val in range 0 - 1
	//using ashima noise
	
	//add time to y position to make noise field move upwards
	
	float TRAVEL_SPEED = 1.5;
	
	//octave 1
	float SCALE = 2.0;
	float noise = snoise(float3(uv.x * SCALE, uv.y * SCALE - t * TRAVEL_SPEED, 0));
	
	//octave 2 - more detail
	SCALE = 6.0;
	noise += snoise(float3(uv.x * SCALE + t, uv.y * SCALE, 0)) * 0.2;
	
	//move noise into 0 - 1 range    
	noise = (noise / 2. + 0.5);
	
	return noise;
}

• 使用 TRAVEL_SPEED 、 SCALE 和 t 作为噪波因子，作为影响生成噪波的主要参数
  TRAVEL_SPEED : 流速
  SCALE ：缩放
  t ：时间

• snoise(float3(x,y,z)); : 噪波生成算法(这里使用了 ashima noise 算法)

• Perlin噪声与Simplex噪声笔记
  这里引用一篇别人的笔记，作为该噪音函数的讲解

1. 第一次噪波效果
   
2. 第二次噪波效果
   
3. 两次噪波叠加效果
   
4. noise = (noise / 2. + 0.5);将噪波归一化（0,1）：
   

3、_CUTOFF ： 用于裁剪噪波范围的三角形

• _CUTOFF = uv.y;
  

• uv.x * 0.5 - 1 ：值域范围改变（0,4）-> (0,2) -> (-1,-1)
  

• abs(uv.x * 0.5 - 1.); : 使值域变成对称的样子 (-1,-1) -> (1,0)、(0,1)
  

• pow(abs(uv.x * 0.5 - 1.), 2.0)；可以用指数函数来控制三角形状的边扭曲程度
  

• uv.y + pow(abs(uv.x * 0.5 - 1.), 1.0) ：实现三角形状
  

4、卡通火形状部分

• 将黑白灰渐变色分离成几个色阶，以表现卡通效果

//计算得到 火的轮廓
float d = pow(getDepth(noise), 0.7);

// 将黑白灰渐变色分离成几个色阶，以表现卡通效果
float getDepth(float n)
{
	//given a 0-1 value return a depth,
	
	//remap remaining non-_CUTOFF region to 0 - 1
	//实现边缘虚化的作用，把原本尖锐的边缘 ，变得虚化柔和
	float d = (n - _CUTOFF) / (1. - _CUTOFF);
	return d;
	//色调分离
	d = floor(d * _Steps) / _Steps;
	return d;
}

• n - _CUTOFF 的效果
  

• float d = (n - _CUTOFF) / (1. - _CUTOFF); ：边缘虚化，归一化后
  

• 色调分离 ： d = floor(d * _Steps) / _Steps;
  把上面计算的结果，进行乘以一个较大的数，使用向下取整后，再除以这个较大的数归一化。以达到卡通效果中，一块一块的色调效果
  

• pow 用来调节亮度

5、卡通火颜色部分

• hsv 是一种符合 人眼 对颜色感性认识 的特征值

计算得到 色相、饱和度、亮度。这里的特征值是 计算出符合 火的颜色区间范围。
其他效果的颜色，需要自己调整寻找颜色算法

float3 hsv = float3(d * 0.17, 0.8 - d / 4., d + 0.8);

• rgb 是一种符合 计算机硬件设计 的 颜色设计。使用算法把 hsv 转化到 rgb

float3 hsv2rgb(float3 c)
{
float4 K = float4(1.0, 2.0 / 3.0, 1.0 / 3.0, 3.0);
float3 p = abs(frac(c.xxx + K.xyz) * 6.0 - K.www);
return c.z * lerp(K.xxx, clamp(p - K.xxx, 0.0, 1.0), c.y);
}

这里给出taecg老师总结的 HSV 2 RGB 算法链接

• ShaderToy系列：HSV