随便聊聊水面效果的2D实现（一）

心已赠人 2022-08-13 15:49 139阅读 0赞

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一下非常之多，目前的很多游戏也有非常好的呈现，其中最令我印象深刻的当数[《Crysis》][Crysis]~

![20141105104656156][]

自己由于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，当然其中细节非常复杂，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：

![20141105104622536][]

可能用Crysis举例略显“高大上”了一些，但其实就在我们接触比较多的cocos2d-x引擎中，就有现成的使用这种原理来实现的水面效果——[Waves3D][]，有兴趣的朋友可以仔细看一看~不过正是由于Waves3D使用了这种3D方式来实现，所以其与cocos2d-x中其他的不少“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，切分粒度细致起来CPU负担很重，白白浪费了很适合这项工作的GPU~（Waves3D其实还有一个2D版本：[Waves][]，可惜其并不能解决上面提到的后两个问题~）

那么还有没有其他方法来实现水面效果，并且能够克服上面所提到的这些问题呢？其实答案很简单，想必很多朋友也想到了，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，在此我也仅仅是简单的按照自己的理解重述一遍而已，示例代码基于cocos2d-x-3.3rc0（由于原理代码都使用[GLSL][]，所以引擎平台其实并不重要，代码改改形式在Unity中使用应该也是可以的），个中源码内容其实就是个简单的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的内容其实非常简单，仅仅是继承了Sprite类型然后将其fragment shader改写为使用WaterEffect.fsh，而WaterEffect.fsh便是我们需要真正实现效果逻辑的地方~

OK，准备工作结束，我们可以屡起袖子，进入正题了 ：）

\#“旋转”像素

第一种方法类似于“旋转”像素，相关的解释可以看看[这里][Link 1]，另外[这里][Link 2]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;
    }

其中timeFactor可以控制水波运动的快慢，texFactor可以控制水波运动的“粒度”，ampFactor则可控制水波运动的幅度，给张截图：

![20141105104627809][]

当然，由于我们单独控制UV两个方向的纹理坐标偏移，所以相关参数自然也可以不同，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;
    }

如果再将这些参数变为uniform，那么扩展性就更强了 ：）

\# “偏移”像素

第二种方法其实类似于3D方式的水面渲染，首先我们计算水面上任意一点的“高度”，然后将其直接映射到对应贴图坐标的偏移中，方法很简单，直接按照“高度”值成比例做偏移即可（此处我不是非常肯定，但感觉上这种映射方法似乎是[平行映射（parallax mapping）][parallax_mapping]的一种简单应用，熟悉的朋友可以告知一下~）（[这里][Link 3]和[这里][Link 4]也有相关的介绍）

相关shader代码大概是这个样子：

其中timeFactor、texFactor 和ampFactor 的含义与第一种方法相同（其实从[正弦曲线函数y=Asin(ωx+φ)][y_Asin_x]中参数含义的角度可以更好的理解：）），同样给张截图：

![20141105104718921][]

与第一种方法一样，我们也可以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：

再来张截图：

![20141105104641491][]

复杂一些的还有引入简单的光照：

基本思路就是通过水面任意点的“高度”变化计算出该点的normal值，接着就是普通的光照计算了（示例代码可能有误，仅作参考了~）

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;
    }

这里仅仅引入了一个平行光，效果有限，不过同样给张截图：）

![20141105104657512][]

\# 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][Link 5]，其中[法线贴图][Link 6]可能是最常见的一种凸凹映射技术了，在此我们亦可以仿照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类需要做些简单修改，大抵是改写一下其中的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);
    }

我们还需要准备一张水面Normal贴图，我使用的大概是这么一张：

![20141105104746546][]

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，仅作参考了~）

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;
    }

同样给张截图：

![20141105104710335][]

当然，我们还可以继续引入光照（例如高光）等元素来加强水面效果的显示，不过3D味道也会愈来愈浓，有兴趣的朋友可以深入尝试一下 ：）

\# 其他

我所见到的其他2D水面实现方法大抵都是上面方法的一些变种，如果你还知道其他方式，就请不吝告之一下吧~

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，另外一类我觉得比较重要的还有个人称为[Ripple Effect][Ripple_Effect]的2D水面效果，有机会下次再随便讲讲吧，就这样了~

[Crysis]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%A4%E5%B2%9B%E5%8D%B1%E6%9C%BA
[20141105104656156]: /images/20220810/ce6e8c590d8145229b95ebe0f49fab65.png
[CryEngine]: http://en.wikipedia.org/wiki/CryEngine
[20141105104622536]: /images/20220810/eba8529042aa4f9cb4ecb06f0bb69d89.png
[Waves3D]: http://www.cocos2d-x.org/reference/native-cpp/V3.3rc0/db/d09/classcocos2d_1_1_waves3_d.html
[Waves]: http://www.cocos2d-x.org/reference/native-cpp/V3.3rc0/d5/d54/classcocos2d_1_1_waves.html
[GLSL]: http://en.wikipedia.org/wiki/OpenGL_Shading_Language
[Link 1]: http://shiba.hpe.sh.cn/jiaoyanzu/WULI/showArticle.aspx?articleId=364&classId=4
[Link 2]: http://www.cnblogs.com/czjone/archive/2012/02/02/2335919.html
[HLSL]: http://en.wikipedia.org/wiki/High_Level_Shader_Language
[20141105104627809]: /images/20220810/542f2c6ee5de4bac81146e52db0a6c7d.png
[parallax_mapping]: http://en.wikipedia.org/wiki/Parallax_mapping
[Link 3]: http://adrianboeing.blogspot.com/2011/02/ripple-effect-in-webgl.html
[Link 4]: http://www.geeks3d.com/20110316/shader-library-simple-2d-effects-sphere-and-ripple-in-glsl/
[y_Asin_x]: http://en.wikipedia.org/wiki/Sine_wave
[20141105104718921]: /images/20220810/d482dc4571aa4f058655c9b9832baef5.png
[20141105104641491]: /images/20220810/1a439083bdb944158d99ab3ad817a577.png
[20141105104657512]: /images/20220810/179466775f5a44e3b290dc1454459db3.png
[Link 5]: http://en.wikipedia.org/wiki/Bump_mapping
[Link 6]: http://en.wikipedia.org/wiki/Normal_mapping
[20141105104746546]: /images/20220810/7d32632e4e2a48bcb5ce0a06260bf006.png
[20141105104710335]: /images/20220810/0644462dae6d4dde9c5b47aa52e46787.png
[Ripple_Effect]: http://en.wikipedia.org/wiki/Ripple_effect