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，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（parallax mapping）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, 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：）

# 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：

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的2D水面效果，有机会下次再随便讲讲吧，就这样了~