コツコツエンジニアノート

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Unityウェーブシェーダー

UnityでuGUI用ウェーブシェーダー。サイン波とコサイン波で画面を歪ませる実装。
(Wave Shader for Unity uGUI to distorts the screen with sine and cosine waves)

2024-05-05

2024-06-23

ウェーブシェーダー、コード全文

下がウェーブシェーダーのサンプル動画。
プラスのサイン波、マイナスのサイン波、プラスのコサイン波、マイナスのコサイン波と、最大4つの波形をブレンドできる。

以下コード全文。uGUI Imageへの反映方法はこちらの記事参照。
今回の場合GrabPassを使っているので、こちらの知識も必要になる。

Shader "UI/GrabWave"
{
    Properties
    {
        [HideInInspector]_MainTex("-",2D)="white"{}

//使用する波形をトグルとして表示、実際はfloat値の0か1が保存される

        [Toggle] _UseSin1("UseSin1", float) = 1
        [Toggle] _UseSin2("UseSin2", float) = 1
        [Toggle] _UseCos1("UseCos1", float) = 1
        [Toggle] _UseCos2("UseCos2", float) = 1
        [Space(10)]
        _Twist ("Twist", Range(0, 100)) = 0

//波形の細かさ

_SinWave("SinWave", Range(1, 50)) = 5

//サイン波の波形の振れ幅の抑制値

_CosWave("CosWave", Range(1, 50)) = 10

//コサイン波の波形の振れ幅の抑制値

    }

    SubShader
    {
        Tags
        {
            "Queue" = "Transparent"
            "RenderType"="Transparent"
        }
        Cull Off
        ZWrite Off
        Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

        GrabPass{}

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _GrabTexture;
            float _UseSin1;
            float _UseSin2;
            float _UseCos1;
            float _UseCos2;
            float _Twist;
            float _SinWave;
            float _CosWave;

            struct appdata
            {
                fixed4 vertex : POSITION;
                fixed4 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                fixed4 vertex : SV_POSITION;
                fixed2 uv : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert(appdata i)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(i.vertex);
                o.uv = ComputeGrabScreenPos(o.vertex);
                return o;
            }

//プラスのサイン波を使ってy軸座標からx軸の修正値を返す

            fixed2 sinUv1(v2f i)
            {
                fixed twist = sin(i.uv.y * _Twist) / _SinWave;
                fixed resultX = i.uv.x + twist;
                fixed2 fixUv = fixed2(resultX , i.uv.y);
                return fixUv;
            }

//マイナスのサイン波を使ってy軸座標からx軸の修正値を返す

            fixed2 sinUv2(v2f i)
            {
                fixed twist = -sin(i.uv.y * _Twist) / _SinWave;
                fixed resultX = i.uv.x + twist;
                fixed2 fixUv = fixed2(resultX , i.uv.y);
                return fixUv;
            }

//プラスのコサイン波を使ってy軸座標からx軸の修正値を返す

            fixed2 cosUv1(v2f i)
            {
                fixed twist = cos(i.uv.y * _Twist) / _CosWave - (1 / _CosWave);
                fixed resultX = i.uv.x + twist;
                fixed2 fixUv = fixed2(resultX , i.uv.y);
                return fixUv;
            }

//マイナスのコサイン波を使ってy軸座標からx軸の修正値を返す

            fixed2 cosUv2(v2f i)
            {
                fixed twist = -cos(i.uv.y * _Twist) / _CosWave + (1 / _CosWave);
                fixed resultX = i.uv.x + twist;
                fixed2 fixUv = fixed2(resultX , i.uv.y);
                return fixUv;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {

//4つの波形のx軸修正値を取得、ただし対応する_Use***が0の場合0を取得

                fixed4 col1 = tex2D(_GrabTexture, sinUv1(i)) * _UseSin1;
                fixed4 col2 = tex2D(_GrabTexture, sinUv2(i)) * _UseSin2;
                fixed4 col3 = tex2D(_GrabTexture, cosUv1(i)) * _UseCos1;
                fixed4 col4 = tex2D(_GrabTexture, cosUv2(i)) * _UseCos2;

//それぞれの波系の合成率を取得、2種類使ってれば0.5を、4種類使ってれば0.25を返す

fixed division = 1 / (_UseSin1 + _UseSin2 + _UseCos1 + _UseCos2);

//それぞれの波形に合成率を掛ける

                col1 = col1 * division;
                col2 = col2 * division;
                col3 = col3 * division;
                col4 = col4 * division;

//波形を合成して返す

                return col1 + col2 + col3 + col4;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

実装方法としては、uGUIのキャンバスの一番下にこのシェーダーを配置し、widthとheightは画面全体を覆うように設定する。

後はマテリアルから値をいじればOK。もちろんシェーダー変数にはC#からもアクセスできる。

プロパティを解説

用意してあるプロパティは7つ。

最初の4つのトグルは、その波形を使うかどうかを表している。

UseSin1

: プラスのサイン波を使うかどうか。

UseSin2

: マイナスのサイン波を使うかどうか。

UseCos1

: プラスのコサイン波を使うかどうか。

UseCos2

: マイナスのコサイン波を使うかどうか。

後半の3つは、波形の間隔や振れ幅を操作する。

Twist

: 大きいほど波形の間隔が細かくなる。0で全く揺れない。

SinWave

: 大きいほどサイン波の揺れ幅が小さくなる。

CosWave

: 大きいほどコサイン波の揺れ幅が小さくなる。

コードを少し解説

まずシェーダーのHLSL言語にはsinとcosという、波形を作るのに大変便利な関数がある。
この関数に対していかなる数値を与えても、必ず-1から1の間の値を返す。
しかもその-1から1に行ったり来たりする値は、綺麗なカーブを描いたものが返ってくる。

今回やっていることは、対象ピクセルのuv座標のy軸をsin/cos関数に渡し、返ってきた値をx軸にプラスさせるという手法をとっている。

サイン波に関するコードは下の通り。

//プラスのサイン波を使ってy軸座標からx軸の修正値を返す

//マイナスのサイン波を使ってy軸座標からx軸の修正値を返す

sin(i.uv.y * _Twist)

を見ての通り、実際にはsin関数に対してはy軸をそのまま渡しているわけではない。
_Twistの値をかけて、ユーザーが波形の細かさを操作できるようにしてある。

またsin関数から返ってくる値は最小値が-1で最大値が+1だが、これをxにそのまま加えると波形がデカすぎて不味い。
uv座標は右下が(0, 0)で左上が(1, 1)であるため、このx軸に-1や+1を加えると画面から相当飛び出てしまう。
なので

/ _SinWave

というコードで波形の揺れ幅を抑えている。

コサイン波に関するコードは下の通り。