H5 WebGL实现水波特效

前言

零几年刚开始玩电脑的时候，经常在安装程序上看到一种水波特效，鼠标划过去的时候，就像用手在水面划过一样，感觉特别有意思。但是后来，就慢慢很少见过这种特效了。最近突然又想起了这种特效，于是开始折磨怎么实现这种效果。

思路

我们知道，水波的运动轨迹可以看成随时间变化的三角函数，那么我们可以记录每个水波形成的原点和运行时间，就能知道任一时刻水波的高度。但是，这种方法的运算量会随着水波数量而线性增长，当水波数量很多时，就很可能出现性能问题。

有没有一种办法，可以根据上一时刻的水波幅度，计算出下一时刻的水波幅度呢？如果对于一个点，如果我们把它与其周围的几个点的均值的差作为加速度运动，会怎样呢？

以二维平面为例，即加速度a有

a = (h(x-1) + h(x+1)) / 2 - h(x)

先用三角函数得到我们的水波的初始状态：

然后套用上面的公式把结果可视化

可见，水波会从中心想四周散开，这和我们平时看到的水波运动轨迹不正好相似吗？我们把它推导成3维的:

a = ( 
    h(x-1, y-1) + h(x-1, y+1) 
    + h(x+1, y-1) + h(x+1, y+1) 
    )/4 - h(x, y)

所以，我们只需要画出第一帧的水波图像，就能通过上面的公式计算出下一帧水波的图像了。

有了水波的图像，再根据冯氏光照模型去计算镜面光，就能模拟出较为真实的水波了。

先来看看最终效果：

在线体验地址：https://kason.site/

实现

首先，我们需要一个生成初始化水波的着色器

precision highp float;
const float PI = 3.141592653589793;
uniform sampler2D texture;
uniform vec2 centerCoord;
uniform float radius;
uniform float strength;			
varying vec2 coord;
void main() {
    vec4 info = texture2D(texture, coord);
    float d = min(distance(centerCoord, coord) / radius, 1.0);
    info.r += (cos(d * PI) * 0.5 + 0.5) * strength;
    gl_FragColor = info;
}

然后，再搞个更新水波的着色器

precision highp float;
uniform sampler2D texture;
uniform vec2 delta;
varying vec2 coord;
void main() {
    vec4 old = texture2D(texture, coord);
    vec2 dx = vec2(delta.x, 0.0);
    vec2 dy = vec2(0.0, delta.y);
    float avg = (
        texture2D(texture, coord - dx).r + texture2D(texture, coord - dy).r +
        texture2D(texture, coord + dx).r + texture2D(texture, coord + dy).r
    ) / 4.0;
    old.g += avg - old.r;
    old.g *= 0.995;
    old.r += old.g;
    gl_FragColor = old;
}

最后，再来个计算镜面光并完成最终渲染的着色器

precision highp float;
attribute vec2 vertex;
uniform vec2 ripplesRatio;
varying vec2 ripplesCoord;
varying vec2 backgroundCoord;
void main() {
    gl_Position = vec4(vertex, 0.0, 1.0);
    backgroundCoord = vertex * 0.5 + 0.5;
    ripplesCoord = backgroundCoord  * ripplesRatio;
}
`, `
precision highp float;
uniform sampler2D samplerBackground;
uniform sampler2D samplerRipples;
uniform vec2 delta;
uniform float perturbance;
varying vec2 ripplesCoord;
varying vec2 backgroundCoord;

void main() {
    float height = texture2D(samplerRipples, ripplesCoord).r;
    float heightX = texture2D(samplerRipples, vec2(ripplesCoord.x + delta.x, ripplesCoord.y)).r;
    float heightY = texture2D(samplerRipples, vec2(ripplesCoord.x, ripplesCoord.y + delta.y)).r;
    vec3 dx = vec3(delta.x, heightX - height, 0.0);
    vec3 dy = vec3(0.0, heightY - height, delta.y);
    vec2 v = normalize(vec2(1.0, 1.0));
    vec2 r = -normalize(cross(dy, dx)).xz;
    vec4 specular = vec4(0.8, 0.8, 0.8, 1) * pow(max(0.0, dot(v, r)), 5.0);
    gl_FragColor = texture2D(samplerBackground, backgroundCoord + r * perturbance) + specular;
}

至此，核心着色器的代码都写完了，只需要结合requestAnimationFrame调用WebGL接口完成最终渲染即可。

完整代码可以查看本人Github: https://github.com/kasonyang/ripples.js