随便聊聊水面效果的2D实现(一)
0. 引子
一直想随便写写自己关于水面效果2D实现的一些了解,可惜各种原因一直拖沓。幸而近来有些事情终算告一段落。自己也有了一些闲暇时间,于是便有了这篇东西 :)
1. 概述
关于水面效果的实现方法。google一下很之多。眼下的许多游戏也有很好的呈现。当中最令我印象深刻的当数《Crysis》~
自己因为工作原因接触过一段时间的CryEngine,对于Crysis的水面渲染有一点点的了解,当然当中细节很复杂,但就基本原理来讲,就是将整块水面细分成适当粒度的三角面。然后通过动态改变各个三角面的顶点位置来模拟水面的运动:
可能用Crysis举例略显“高大上”了一些,但事实上就在我们接触比較多的cocos2d-x引擎中,就有现成的使用这样的原理来实现的水面效果——Waves3D。有兴趣的朋友能够仔细看一看~只是正是因为Waves3D使用了这样的3D方式来实现,所以其与cocos2d-x中其它的不少“2D”元素(譬如Sprite)协作起来就多少有些不顺畅的感觉。再加上三角面切分的粒度问题,有时总会让人感觉效果略有生硬粗糙,还有的就是Waves3D使用CPU计算来实现效果,切分粒度仔细起来CPU负担非常重,白白浪费了非常适合这项工作的GPU~(Waves3D事实上另一个2D版本号:Waves,可惜其并不能解决上面提到的后两个问题~)
那么还有没有其它方法来实现水面效果,而且可以克服上面所提到的这些问题呢?事实上答案非常easy。想必非常多朋友也想到了。那就是使用Shader :)
2. 方法
使用Shader来实现2D水面效果。网上亦有不少资料,在此我也不过简单的依照自己的理解重述一遍而已,演示样例代码基于cocos2d-x-3.3rc0(因为原理代码都使用GLSL。所以引擎平台事实上并不重要,代码改改形式在Unity中使用应该也是能够的)。个中源代码内容事实上就是个简单的HelloWorld,唯一值得一提的就是WaterEffectSprite类型,在此完整列出:
//WaterEffectSprite.h #ifndef __WATER_EFFECT_SPRITE_H__ #define __WATER_EFFECT_SPRITE_H__ #include "cocos2d.h" USING_NS_CC; class WaterEffectSprite : public Sprite { public: static WaterEffectSprite* create(const char *pszFileName); public: bool initWithTexture(Texture2D* texture, const Rect& rect); void initGLProgram(); }; #endif
//WaterEffectSprite.cpp #include "WaterEffectSprite.h" WaterEffectSprite* WaterEffectSprite::create(const char *pszFileName) { auto pRet = new (std::nothrow) WaterEffectSprite(); if (pRet && pRet->initWithFile(pszFileName)) { pRet->autorelease(); } else { CC_SAFE_DELETE(pRet); } return pRet; } bool WaterEffectSprite::initWithTexture(Texture2D* texture, const Rect& rect) { if (Sprite::initWithTexture(texture, rect)) { #if CC_ENABLE_CACHE_TEXTURE_DATA auto listener = EventListenerCustom::create(EVENT_RENDERER_RECREATED, [this](EventCustom* event) { setGLProgram(nullptr); initGLProgram(); }); _eventDispatcher->addEventListenerWithSceneGraphPriority(listener, this); #endif initGLProgram(); return true; } return false; } void WaterEffectSprite::initGLProgram() { auto fragSource = (GLchar*)String::createWithContentsOfFile( FileUtils::getInstance()->fullPathForFilename("Shaders/WaterEffect.fsh").c_str())->getCString(); auto program = GLProgram::createWithByteArrays(ccPositionTextureColor_noMVP_vert, fragSource); auto glProgramState = GLProgramState::getOrCreateWithGLProgram(program); setGLProgramState(glProgramState); }
WaterEffectSprite的内容事实上很easy,不过继承了Sprite类型然后将其fragment shader改写为使用WaterEffect.fsh,而WaterEffect.fsh便是我们须要真正实现效果逻辑的地方~
OK,准备工作结束。我们能够屡起袖子,进入正题了 :)
#“旋转”像素
第一种方法类似于“旋转”像素。相关的解释能够看看这里,另外这里也有一份HLSL实现,使用GLSL编写。大概是这个样子:
varying vec4 v_fragmentColor; varying vec2 v_texCoord; void main() { float timeFactor = 1; float texFactor = 10; float ampFactor = 0.01f; // just like rotate pixel according to texture coordinate v_texCoord.x += sin(CC_Time.y * timeFactor + v_texCoord.x * texFactor) * ampFactor; v_texCoord.y += cos(CC_Time.y * timeFactor + v_texCoord.y * texFactor) * ampFactor; gl_FragColor = texture2D(CC_Texture0, v_texCoord) * v_fragmentColor; }
当中timeFactor能够控制水波运动的快慢,texFactor能够控制水波运动的“粒度”,ampFactor则可控制水波运动的幅度,给张截图:
当然,因为我们单独控制UV两个方向的纹理坐标偏移,所以相关參数自然也能够不同。就像这样:
varying vec4 v_fragmentColor; varying vec2 v_texCoord; void main() { float timeFactorU = 1; float texFactorU = 10; float ampFactorU = 0.01f; float timeFactorV = 1; float texFactorV = 10; float ampFactorV = 0.01f; v_texCoord.x += sin(CC_Time.y * timeFactorU + v_texCoord.x * texFactorU) * ampFactorU; v_texCoord.y += cos(CC_Time.y * timeFactorV + v_texCoord.y * texFactorV) * ampFactorV; gl_FragColor = texture2D(CC_Texture0, v_texCoord) * v_fragmentColor; }
假设再将这些參数变为uniform。那么扩展性就更强了 :)
# “偏移”像素
另外一种方法事实上类似于3D方式的水面渲染,首先我们计算水面上随意一点的“高度”,然后将其直接映射到相应贴图坐标的偏移中,方法非常easy,直接依照“高度”值成比例做偏移就可以(此处我不是非常肯定,但感觉上这样的映射方法似乎是平行映射(parallax mapping)的一种简单应用,熟悉的朋友能够告知一下~)(这里和这里也有相关的介绍)
相关shader代码大概是这个样子:
varying vec4 v_fragmentColor; varying vec2 v_texCoord; // get wave height based on distance-to-center float waveHeight(vec2 p) { float timeFactor = 4.0; float texFactor = 12.0; float ampFactor = 0.01; float dist = length(p); return cos(CC_Time.y * timeFactor + dist * texFactor) * ampFactor; } void main() { // convert to [-1, 1] vec2 p = -1.0 + 2.0 * v_texCoord; vec2 normal = normalize(p); // offset texcoord along dist direction v_texCoord += normal * waveHeight(p); gl_FragColor = texture2D(CC_Texture0, v_texCoord) * v_fragmentColor; }
当中timeFactor、texFactor 和ampFactor 的含义与第一种方法相同(事实上从正弦曲线函数y=Asin(ωx+φ)中參数含义的角度能够更好的理解:))。相同给张截图:
与第一种方法一样,我们也能够以上面的代码为基础,稍稍做些扩展,简单的譬如改变水波的中心位置:
varying vec4 v_fragmentColor; varying vec2 v_texCoord; // get wave height based on distance-to-center float waveHeight(vec2 p) { float timeFactor = 4.0; float texFactor = 12.0; float ampFactor = 0.01; float dist = length(p); return cos(CC_Time.y * timeFactor + dist * texFactor) * ampFactor; } void main() { vec2 center = vec2(0, 0); vec2 p = (v_texCoord - center) * 2.0; vec2 normal = normalize(p); // offset texcoord along dist direction v_texCoord += normal * waveHeight(p); gl_FragColor = texture2D(CC_Texture0, v_texCoord) * v_fragmentColor; }
再来张截图:
复杂一些的还有引入简单的光照:
基本思路就是通过水面随意点的“高度”变化计算出该点的normal值,接着就是普通的光照计算了(演示样例代码可能有误,仅作參考了~)
varying vec4 v_fragmentColor; varying vec2 v_texCoord; // get wave height based on distance-to-center float waveHeight(vec2 p) { float timeFactor = 4.0; float texFactor = 12.0; float ampFactor = 0.01; float dist = length(p); return cos(CC_Time.y * timeFactor + dist * texFactor) * ampFactor; } // get point fake normal vec3 waveNormal(vec2 p) { vec2 resolution = vec2(480, 320); float scale = 240; float waveHeightRight = waveHeight(p + vec2(2.0 / resolution.x, 0)) * scale; float waveHeightLeft = waveHeight(p - vec2(2.0 / resolution.x, 0)) * scale; float waveHeightTop = waveHeight(p + vec2(0, 2.0 / resolution.y)) * scale; float waveHeightBottom = waveHeight(p - vec2(0, 2.0 / resolution.y)) * scale; vec3 t = vec3(1, 0, waveHeightRight - waveHeightLeft); vec3 b = vec3(0, 1, waveHeightTop - waveHeightBottom); vec3 n = cross(t, b); return normalize(n); } void main() { vec2 p = -1.0 + 2.0 * v_texCoord; vec2 normal = normalize(p); v_texCoord += normal * waveHeight(p); vec4 lightColor = vec4(1, 1, 1, 1); vec3 lightDir = vec3(1, 1, 1); gl_FragColor = texture2D(CC_Texture0, v_texCoord) * v_fragmentColor * lightColor * max(0, dot(lightDir, waveNormal(p))); gl_FragColor.a = 1; }
这里只引入了一个平行光。效果有限,只是相同给张截图:)
# 凸凹映射
第三种方法可能大家都耳熟能详了,就是3D渲染中常见的凸凹映射,当中法线贴图可能是最常见的一种凸凹映射技术了。在此我们亦能够仿照3D的做法,将法线贴图映射至普通的Sprite之上,以达到模拟水面的效果~
当然,之前所列出的WaterEffectSprite类须要做些简单改动。大抵是改写一下当中的initGLProgram方法:
void WaterEffectSprite::initGLProgram() { auto fragSource = (GLchar*)String::createWithContentsOfFile( FileUtils::getInstance()->fullPathForFilename("Shaders/WaterEffect.fsh").c_str())->getCString(); auto program = GLProgram::createWithByteArrays(ccPositionTextureColor_noMVP_vert, fragSource); auto glProgramState = GLProgramState::getOrCreateWithGLProgram(program); setGLProgramState(glProgramState); auto normalMapTextrue = TextureCache::getInstance()->addImage("Textures/water_normal.jpg"); Texture2D::TexParams texParams = { GL_LINEAR, GL_LINEAR, GL_REPEAT, GL_REPEAT }; normalMapTextrue->setTexParameters(texParams); getGLProgramState()->setUniformTexture("u_normalMap", normalMapTextrue); }
我们还须要准备一张水面Normal贴图,我使用的大概是这么一张:
GLSL代码大致上简单的实现了一下水面的折射效果以及简单的normal UV动画(代码可能有误。仅作參考了~)
varying vec4 v_fragmentColor; varying vec2 v_texCoord; uniform sampler2D u_normalMap; vec3 waveNormal(vec2 p) { vec3 normal = texture2D(u_normalMap, p).xyz; normal = -1.0 + normal * 2.0; return normalize(normal); } void main() { float timeFactor = 0.2; float offsetFactor = 0.5; float refractionFactor = 0.7; // simple UV animation vec3 normal = waveNormal(v_texCoord + vec2(CC_Time.y * timeFactor, 0)); // simple calculate refraction UV offset vec2 p = -1 + 2 * v_texCoord; vec3 eyePos = vec3(0, 0, 100); vec3 inVec = normalize(vec3(p, 0) - eyePos); vec3 refractVec = refract(inVec, normal, refractionFactor); v_texCoord += refractVec.xy * offsetFactor; gl_FragColor = texture2D(CC_Texture0, v_texCoord) * v_fragmentColor; }
相同给张截图:
当然,我们还能够继续引入光照(比如高光)等元素来加强水面效果的显示,只是3D味道也会愈来愈浓,有兴趣的朋友能够深入尝试一下 :)
# 其它
我所见到的其它2D水面实现方法大抵都是上面方法的一些变种,假设你还知道其它方式,就请不吝告之中的一个下吧~
3. 后记
OK。讲了不少东西。也该停一停了,这次讲了一些我自己归类为Water Effect的2D水面效果实现方法,另外一类我认为比較重要的还有个人称为Ripple Effect的2D水面效果。有机会下次再随便讲讲吧,就这样了~