Shader带你走进科技感十足的 “泰森多边形”

系统管理员 2022-12-24 06:57 216阅读 0赞

在生活中我们经常会看到一些基于泰森多边形的设计，如北京奥运会的水立方。在自然界中，泰森多边形更是随处可见，比如：蜻蜓的翅膀、树叶微观肌理等。那么我们该如何利用shader将其实现呢？

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

# 一、实现方法 #

### 1.1 什么是泰森多边形？ ###

开始之前，我们先来了解一下泰森多边形的特征：

a. 每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据

b. 泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近

c. 位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点距离相等

### 1.2 在shader中的实现方法 ###

由其特征可知，我们需要先设置一组离散点，然后计算每一个像素与最近离散点的距离，也就是说我们需要遍历每个离散点，计算他们到当前像素点的距离，并把最近的那个距离保存下来。

伪代码如下：

float min\_dist = 1.0;

for (int i = 0; i < TOTAL\_POINTS; i++) \{

float dist = distance(uv, points\[i\]);

min\_dist = min(min\_dist, dist);

当我们设置5个离散点，并把min\_dist赋值给gl\_FragColor时，就会得到类似下图的效果：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

# 二、优化 #

上面的方法有些缺点，即当离散点数比较多时，我们虽然可以用for循环和数组来完成上述功能，但是遍历很多实例会显著降低着色器的性能，此外一个一个设置离散点也比较麻烦。

### 2.1 如何保证着色器的性能 ###

保证着色器性能的方法就是把空间分割成网格。每个网格对应一个离散点，为避免网格交界区域的偏差，我们需要计算像素点到相邻网格中离散点的距离。每个像素点只需要计算到九个离散点的距离，即它所在的网格的离散点和相邻的八个网格的离散点。

——如何分割网格？

uv坐标默认是在0到1之间，如果我们把uv乘以一个系数，这样在0到1之间的图形就会重复生成网格。

a. 把uv乘以5，把坐标等比放大5倍：uv \*= 5.0

b. 使用fract()函数单位化变量，使之在0.0到1.0之间：vec2 f\_uv = fract(uv)

c. 使用floor()函数对uv取整，就知道是在哪个网格了：vec2 i\_uv = floor(uv)

——计算最短距离

如何计算像素点到相邻网格中随机离散点的距离？从网格坐标来说，就是x坐标从-1(左)到1(右)，y坐标从 -1(下)到1(上)，一共9 个网格的3x3区域可以用两个 for 循环遍历：

伪代码如下：

for (int y= -1; y <= 1; y++) \{

for (int x= -1; x <= 1; x++) \{

vec2 neighbor = vec2(float(x),float(y));

vec2 diff = neighbor + point - f\_uv;

float dist = length(diff);

min\_dist = min(min\_dist, dist);

### 2.2 随机构造离散点 ###

我们知道可以通过把正弦函数打散成小片段来得到一些伪随机数。把sin(x)的值乘以大点的数，就无法区分sin波了，其小数部分的粒度将sin的循环变成了伪随机的混沌。y=fract(sin(x)\*10000.0)，会生成一个伪随机数，这就意味着输入相同的x值总会返回相同的值。我们如果把i\_uv做为参数传入，这样每个网格内的离散点位置就都不一样了。但我们需要将一个二维向量转换为一个浮点数。最简单的就是与另一个向量进行点乘，其会返回一个0.0到1.0之间的值，通过以下随机函数我们能得到下面的图形。

伪代码如下：

float random (vec2 st) \{

return fract(sin(dot(st.xy,vec2(1,10)))\*10000.);

void main()\{

precision mediump float;

float rnd = random(i\_uv);

gl\_FragColor = vec4(vec3(rnd),1.0);

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

我们可以通过调整所点乘的向量和系数来得到合适的效果。

### 2.3 最终效果 ###

综上可得出如下效果：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

# 三、进一步探索 #

这个算法还可以从离散点而非像素点的角度理解。算法可以表述为：每个离散点向外扩张生长，直到它碰到其它扩张的区域。这反映了自然界的生长规则——生命的形态是由内部扩张，并由生长力量和限制性的外部力量共同决定的。

我们可以对其展开进一步探索以创造出更多有趣的用法：

a. 修改缩放空间

b. 想办法让离散点动起来

c. 使用其它计算代替min\_dist = min(min\_dist, dist)。例如min\_dist = min(min\_dist, min\_dist\*dist)

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

讲了这么多，那么这种效果在汽车领域该如何应用呢？其实上文中的动效，我们可以把它做成车机背景，是不是很有科技感？当然其应用并不仅限于此。更多的应用还等着大家一起去挖掘和探索。

![20201127113441388.gif][]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/3fb2656a90cb4e53ad1abfd7f9f1fccb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201127113246847.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201127113338597.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201127113359829.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201127113418922.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzQ3MzM0MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20201127113441388.gif]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201127113441388.gif