title: 用 Shader 写个完美的波浪
date: 2020/09/07
updated: 2020/09/07
description: 遇事不决写虽得儿，入门级讲解看完不懂我就是
…
前言
皮皮最近接到了一个小需求：
美术小姐姐：皮皮皮皮，你能不能做奶茶？
我：？？？
我：吓死我还以为让我做喝的奶茶…
我：波浪效果是吧，小意思，一个月的奶茶就够了，或者扫码提需求~
我：卒~
俗话说：遇事不决，_量子力学（划掉）_写虽得儿。
根据我多年喝奶茶的经验，像这种效果用 Shader 做就再简单不过了，最终的效果如下：
趁此机会，本篇文章就来与小伙伴们分享动态波浪 Shader 的原理和制作思路吧。
要注意的是，这是一篇偏入门的文章，写得会相对比较详细，尽量让不懂 Shader 的小白也可以看懂，这也是我写文章的一贯风格。
好了，话不多说，进入正题~
正文
整体思路
看到波浪的表现特点我第一时间想到的就是正弦曲线（或者说是正弦波，又让我想起了示波器）。
正弦曲线（Sinusoid）
正弦曲线是三角函数中的一种正弦（Sine）比例的曲线。正弦曲线表现为一条波浪线，形状犹如海上完美的波浪。
标准的正弦函数公式为：
y = sin(x)
正弦函数属于周期函数，其值域为 [-1, 1]。
如下图就是一个纯正标准的正弦曲线：
而一般我们常用的正弦曲线公式为：
y = A · sin(ωx ± φ) + k
这条公式比标准公式多了几个常数，含义如下：
-
A：振幅（Amplitude），曲线最高点与最低点的差值，表现为曲线的整体高度 -
ω：角速度（Angular Velocity），控制曲线的周期，表现为曲线的紧密程度 -
φ：初相（Initial Phase），即当x = 0时的相位，表现为曲线在坐标系上的水平位置 -
k：偏距（Offset），表现为曲线在坐标系上的垂直位置
相位（Phase）：上方公式中的
ωx±φ部分称为相位，相位发生在周期性的运动之中，最直接的理解就是角度。
稍加思索
有了公式之后，我们可以尝试调整其中的常数来改变函数曲线的形态。
在查看下方的示例时，请尝试将 曲线形态的变化 与 图中右上角公式的变化 关联起来。
改变曲线的高度
我们可以调整常数 A（振幅）来改变曲线的值域（值域为 [-A, A]）：
改变曲线的周期
我们可以调整常数 ω（角速度）来改变曲线的周期：
改变曲线的水平位置
我们可以调整常数 φ（初相）来改变曲线的水平位置：
多说一句
其实对于“曲线的水平位置”这个描述是不太准确的，因为初相实际上改变的是当 x = 0 时的相位，也就直接影响函数曲线在 x = 0 处的位置。
所以说曲线的位置并没有真正改变，而只是曲线的形态发生了改变。
但是由于正弦曲线的周期性特点，曲线的这种形态变化看起来像是曲线进行了位移。
改变曲线的垂直位置
我们可以调整常数 k（偏距）来改变曲线的垂直位置：
动手实现
明白了正弦曲线的特性之后，接下来我们需要做的就是在代码中运用正弦函数。
慢着！正弦曲线确实如海上完美的波浪般优美，但是正弦曲线是静态的，我们要的波浪是动态的啊！
如何让曲线动起来
别慌！还记得我们可以调整 初相 来改变曲线的“水平位置”吗？
既然如此，我们可以给初相加入 时间因素，使得 y 值可以随着时间的增加发生 周期性变化，看起来就像是曲线在进行“水平位移”。
就像这样：
得到新的公式
加入时间因素 t 后的曲线公式：
y = A · sin(ωx ± φt) + k
On Shadertoy
小贴士：由于 GLSL ES 没有办法进行调试，所以写 Shader 时可以先在 Shadertoy 中编写并在线预览，显著提高效率。
一切尽在注释中，简单详细且直观。
主函数代码如下：
void mainImage( out vec4 fragColor, in vec2 fragCoord )
{
// 将像素坐标归一化（区间 [0.0, 1.0]）
// iResolution 是 Shadertoy 提供的视口分辨率全局变量（类型：vec3）
vec2 uv = fragCoord / iResolution.xy;
// 振幅（控制波浪顶端和底端的高度）
float amplitude = 0.05;
// 角速度（控制波浪的周期）
float angularVelocity = 10.0;
// 频率（控制波浪移动的速度）
float frequency = 10.0;
// 偏距（设为 0.5 使得波浪垂直居中于屏幕）
float offset = 0.5;
// 初相位（正值表现为向左移动，负值则表现为向右移动）
// iTime 是 Shadertoy 提供的运行时间全局变量（类型：float）
float initialPhase = frequency * iTime;
// 代入正弦曲线公式计算 y 值
// y = Asin(ωx ± φt) + k
float y = amplitude * sin((angularVelocity * uv.x) + initialPhase) + offset;
// 区分 y 值上下部分，设置不同颜色
vec4 color = uv.y > y ? vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0) : vec4(0.0, 0.7, 0.9, 1.0);
// 输出到屏幕
fragColor = color;
}
预览效果如下（是不是有内味儿了）：
On Cocos Creator
我们主要关注片段着色器部分，这里就不展示整个 Effect 文件的代码了，直接上传送门吧。
Effect 文件：https://gitee.com/ifaswind/eazax-ccc/blob/master/resources/effects/eazax-sine-wave.effect
代码核心其实就是套用了公式，我们代码注释一起看吧。
一切尽在注释中，简单详细且直观。
片段着色器代码如下：
CCProgram fs %{
precision highp float;
// 引入 Cocos Creator 内置的全部变量
#include <cc-global>
// 顶点颜色（来自顶点着色器）
in vec4 v_color;
// UV 坐标（来自顶点着色器）
in vec2 v_uv0;
// 纹理
uniform sampler2D texture;
// 自定义属性
uniform Properties {
float amplitude; // 振幅
float angularVelocity; // 角速度
float frequency; // 频率
float offset; // 偏距
};
void main () {
// 保存顶点颜色
vec4 color = v_color;
// 叠加纹理颜色
color *= texture(texture, v_uv0);
// 直接丢弃原本就透明的像素
if (color.a == 0.0) discard;
// 初相位（正值表现为向左移动，负值则表现为向右移动）
// cc_time 是 Cocos Creator 提供的运行时间全局变量（类型：vec4）
float initiaPhase = frequency * cc_time.x;
// 代入正弦曲线公式计算 y 值
// y = Asin(ωx ± φt) + k
float y = amplitude * sin(angularVelocity * v_uv0.x + initiaPhase) + offset;
// 丢弃 y 值以上的像素（左上角为原点 [0.0, 0.0]）
if (v_uv0.y < y) discard;
// 输出颜色
gl_FragColor = color;
}
}%
运行效果如下：
使用 cc.tween 动态改变高度（偏距）实现波浪进度条：
cc.tween(this.sineWave)
.to(3, { height: 1 })
.to(0.5, { amplitude: 0 })
.start();
在线预览：https://ifaswind.gitee.io/eazax-cases?case=sineWave
SineWave 组件：https://gitee.com/ifaswind/eazax-ccc/blob/master/components/effects/SineWave.ts
专题
《一起学 Shader》这个专题断更了一段时间，很对不起小伙伴们，是时候续上了
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Input and output.
用 Shader 写个完美的波浪
对不起各位，Effect 文件超链接错了，修改回来了。