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》~
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：
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fragmentshader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，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;
}
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：
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（parallaxmapping）的一种简单应用，熟悉的朋友可以告知一下~）（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;
}
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)中参数含义的角度可以更好的理解：）），同样给张截图：
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：
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,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);
vec3 lightDir = vec3(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：）
#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，其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：
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normalUV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(0,100);
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：
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WaterEffect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RippleEffect的2D水面效果，有机会下次再随便讲讲吧，就这样了~
