风场可视化：绘制轨迹引子了解绘制粒子之后，接着去看如何绘制粒子轨迹。源库：webgl-wind Origin My

引子

了解绘制粒子之后，接着去看如何绘制粒子轨迹。

绘制轨迹

在原文中提到绘制轨迹的方法是将粒子绘制到纹理中，然后在下一帧上使用该纹理作为背景（稍微变暗），并每一帧交换输入/目标纹理。这里涉及两个重点使用的 WebGL 功能点：

基于绘制粒子的基础上，增加逻辑的主要思路：

初始化时，增加了背景纹理 B 和屏幕纹理 S 。
创建每个粒子相关信息的数据时，存了两个纹理 T20 和 T21 中。
绘制时，先绘制背景纹理 B ，再根据纹理 T20 绘制所有粒子，接着绘制屏幕纹理 S，之后将屏幕纹理 S 作为下一帧的背景纹理 B 。
最后基于纹理 T21 绘制新的结果，生成新的状态纹理覆盖 T20 ，开始下一帧绘制。

不包含随机生成的粒子轨迹效果见示例，下面看看具体的实现。

纹理

新增纹理相关逻辑：


// 代码省略

resize() {

const gl = this.gl;

const emptyPixels = new Uint8Array(gl.canvas.width * gl.canvas.height * 4);

// screen textures to hold the drawn screen for the previous and the current frame

this.backgroundTexture = util.createTexture(gl, gl.NEAREST, emptyPixels, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

this.screenTexture = util.createTexture(gl, gl.NEAREST, emptyPixels, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

}

// 代码省略

初始化的背景纹理和屏幕纹理都是以 Canvas 的宽高作为标准，同样是以每个像素 4 个分量存储。

屏幕着色器程序

新增屏幕着色器程序对象，最终显示可见的内容就是这个对象负责绘制：


this.screenProgram = webglUtil.createProgram(gl, quadVert, screenFrag);

顶点数据

顶点相关逻辑：


// 代码省略

this.quadBuffer = util.createBuffer(gl, new Float32Array([0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1]));

// 代码省略

util.bindAttribute(gl, this.quadBuffer, program.a_pos, 2);

// 代码省略

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

// 代码省略

这里可以看出以顶点数据按照二维解析，总共 6 个点，绘制的是一个矩形，为什坐标都是 0 和 1 ，接着看下面的着色器。

顶点着色器

新增顶点着色器和对应绑定的变量：


const quadVert = `

precision mediump float;

attribute vec2 a_pos;

varying vec2 v_tex_pos;

void main() {

v_tex_pos = a_pos;

gl_Position = vec4(1.0 - 2.0 * a_pos, 0, 1);

}

`;

// 代码省略

this.drawTexture(this.backgroundTexture, this.fadeOpacity);

// 代码省略

drawTexture(texture, opacity) {

// 代码省略

util.bindAttribute(gl, this.quadBuffer, program.a_pos, 2);

// 代码省略

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

}

// 代码省略

从这些分散的逻辑中，找到着色器中的变量对应的实际值：

a_pos ： quadBuffer 中每个顶点二维数据。
v_tex_pos ：跟 a_pos 的值一样，会在对应的片元着色器中使用。

这里 gl_Position 的计算方式，结合前面说到的顶点坐标都是 0 和 1 ，发现计算结果的范围是 [-1.0, +1.0] ，在裁减空间范围内，就可以显示出来。

片元着色器

片元着色器和对应绑定的变量：


const screenFrag = `

precision mediump float;

uniform sampler2D u_screen;

uniform float u_opacity;

varying vec2 v_tex_pos;

void main() {

vec4 color = texture2D(u_screen, 1.0 - v_tex_pos);

// a hack to guarantee opacity fade out even with a value close to 1.0

gl_FragColor = vec4(floor(255.0 * color * u_opacity) / 255.0);

}

`;

this.fadeOpacity = 0.996;

// 代码省略

drawTexture(texture, opacity) {

// 代码省略

gl.uniform1i(program.u_screen, 2);

gl.uniform1f(program.u_opacity, opacity);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

}

从这些分散的逻辑中，找到着色器中的变量对应的实际值：

u_screen ：动态变化的纹理，需根据上下文判断。
u_opacity ：透明度，需根据上下文判断。
v_tex_pos ：从顶点着色器传递过来，也就是 quadBuffer 中的数据。

1.0 - v_tex_pos 的范围是 [0, 1] ,正好包含了整个纹理的范围。最终颜色乘以动态 u_opacity 的效果就是原文中所说“稍微变暗”的目的。

更新着色器程序

新增更新着色器程序对象，是让粒子产生移动轨迹的关键：


this.updateProgram = webglUtil.createProgram(gl, quadVert, updateFrag);

顶点数据

与屏幕着色器程序的顶点数据公用一套。

顶点着色器

与屏幕着色器程序的顶点着色器公用一套。

片元着色器

针对更新的片元着色器和对应绑定的变量：


const updateFrag = `

precision highp float;

uniform sampler2D u_particles;

uniform sampler2D u_wind;

uniform vec2 u_wind_res;

uniform vec2 u_wind_min;

uniform vec2 u_wind_max;

varying vec2 v_tex_pos;

// wind speed lookup; use manual bilinear filtering based on 4 adjacent pixels for smooth interpolation

vec2 lookup_wind(const vec2 uv) {

// return texture2D(u_wind, uv).rg; // lower-res hardware filtering

vec2 px = 1.0 / u_wind_res;

vec2 vc = (floor(uv * u_wind_res)) * px;

vec2 f = fract(uv * u_wind_res);

vec2 tl = texture2D(u_wind, vc).rg;

vec2 tr = texture2D(u_wind, vc + vec2(px.x, 0)).rg;

vec2 bl = texture2D(u_wind, vc + vec2(0, px.y)).rg;

vec2 br = texture2D(u_wind, vc + px).rg;

return mix(mix(tl, tr, f.x), mix(bl, br, f.x), f.y);

}

void main() {

vec4 color = texture2D(u_particles, v_tex_pos);

vec2 pos = vec2(

color.r / 255.0 + color.b,

color.g / 255.0 + color.a); // decode particle position from pixel RGBA

vec2 velocity = mix(u_wind_min, u_wind_max, lookup_wind(pos));

// take EPSG:4236 distortion into account for calculating where the particle moved

float distortion = cos(radians(pos.y * 180.0 - 90.0));

vec2 offset = vec2(velocity.x / distortion, -velocity.y) * 0.0001 * 0.25;

// update particle position, wrapping around the date line

pos = fract(1.0 + pos + offset);

// encode the new particle position back into RGBA

gl_FragColor = vec4(

fract(pos * 255.0),

floor(pos * 255.0) / 255.0);

}

`;

// 代码省略

setWind(windData) {

// 风场图片的源数据

this.windData = windData;

}

// 代码省略

util.bindTexture(gl, this.windTexture, 0);

util.bindTexture(gl, this.particleStateTexture0, 1);

// 代码省略

this.updateParticles();

// 代码省略

updateParticles() {

// 代码省略

const program = this.updateProgram;

gl.useProgram(program.program);

util.bindAttribute(gl, this.quadBuffer, program.a_pos, 2);

gl.uniform1i(program.u_wind, 0); // 风纹理

gl.uniform1i(program.u_particles, 1); // 粒子纹理

gl.uniform2f(program.u_wind_res, this.windData.width, this.windData.height);

gl.uniform2f(program.u_wind_min, this.windData.uMin, this.windData.vMin);

gl.uniform2f(program.u_wind_max, this.windData.uMax, this.windData.vMax);

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

// 代码省略

}

从这些分散的逻辑中，找到着色器中的变量对应的实际值：

u_wind ：风场图片生成的纹理 windTexture 。
u_particles ：所有粒子颜色信息的纹理 particleStateTexture0 。
u_wind_res ：生成图片的宽高。
u_wind_min ：风场数据分量最小值。
u_wind_max ：风场数据分量最大值。

根据 quadBuffer 的顶点数据从纹理 particleStateTexture0 中获取对应位置的像素信息，用像素信息解码出粒子位置，通过 lookup_wind 方法获取相邻 4 个像素的平滑插值，之后基于风场最大值和最小值得出偏移量 offset ，最后得到新的位置转为颜色输出。在这个过程中发现下面几个重点：

怎么获取相邻 4 个像素？
二维地图中，两极和赤道粒子如何区别？

怎么获取相邻 4 个像素？

看主要方法：


vec2 lookup_wind(const vec2 uv) {

vec2 px = 1.0 / u_wind_res;

vec2 vc = (floor(uv * u_wind_res)) * px;

vec2 f = fract(uv * u_wind_res);

vec2 tl = texture2D(u_wind, vc).rg;

vec2 tr = texture2D(u_wind, vc + vec2(px.x, 0)).rg;

vec2 bl = texture2D(u_wind, vc + vec2(0, px.y)).rg;

vec2 br = texture2D(u_wind, vc + px).rg;

return mix(mix(tl, tr, f.x), mix(bl, br, f.x), f.y);

}

以生成图片的宽高作为基准，得到基本单位 px；
在新衡量标准下，向下取整得到近似位置 vc 作为第 1 个参考点，移动基本单位单个分量 px.x 得到第 2 个参考点；
移动基本单位单个分量 px.y 得到第 3 个参考点，移动基本单位 px 得到第 4 个参考点。

二维地图中，两极和赤道粒子如何区别？

就像原文中：

在两极附近，粒子沿 X 轴的移动速度应该比赤道上的粒子快得多，因为相同的经度表示的距离要小得多。

对应的处理逻辑：


float distortion = cos(radians(pos.y * 180.0 - 90.0));

vec2 offset = vec2(velocity.x / distortion, -velocity.y) * 0.0001 * u_speed_factor;

radians 方法将角度转换为弧度值，pos.y * 180.0 - 90.0 猜测是风数据转为角度的规则。cos 余弦值在 [0,π] 之间逐渐变小，对应 offset 的第一个分量就会逐渐变大，效果看起来速度变快了。第二个分量加上了符号 -，推测是要跟图片纹理一致，图片纹理默认在 Y 轴上是反的。

绘制

绘制这块变化很大：


draw() {

// 代码省略

this.drawScreen();

this.updateParticles();

}

drawScreen() {

const gl = this.gl;

// draw the screen into a temporary framebuffer to retain it as the background on the next frame

util.bindFramebuffer(gl, this.framebuffer, this.screenTexture);

gl.viewport(0, 0, gl.canvas.width, gl.canvas.height);

this.drawTexture(this.backgroundTexture, this.fadeOpacity);

this.drawParticles();

util.bindFramebuffer(gl, null);

// enable blending to support drawing on top of an existing background (e.g. a map)

gl.enable(gl.BLEND);

gl.blendFunc(gl.SRC_ALPHA, gl.ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

this.drawTexture(this.screenTexture, 1.0);

gl.disable(gl.BLEND);

// save the current screen as the background for the next frame

const temp = this.backgroundTexture;

this.backgroundTexture = this.screenTexture;

this.screenTexture = temp;

}

drawTexture(texture, opacity) {

const gl = this.gl;

const program = this.screenProgram;

gl.useProgram(program.program);

// 代码省略

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

}

drawParticles() {

const gl = this.gl;

const program = this.drawProgram;

gl.useProgram(program.program);

// 代码省略

gl.drawArrays(gl.POINTS, 0, this._numParticles);

}

updateParticles() {

const gl = this.gl;

util.bindFramebuffer(gl, this.framebuffer, this.particleStateTexture1);

gl.viewport(

0,

0,

this.particleStateResolution,

this.particleStateResolution

);

const program = this.updateProgram;

gl.useProgram(program.program);

// 代码省略

gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 6);

// swap the particle state textures so the new one becomes the current one

const temp = this.particleStateTexture0;

this.particleStateTexture0 = this.particleStateTexture1;

this.particleStateTexture1 = temp;

}

先切换到帧缓冲区，指定的纹理是 screenTexture ，注意从这里开始绘制的结果是不可见的，接着绘制了整个背景纹理 backgroundTexture 和基于纹理 particleStateTexture0 的所有单个粒子，然后解除帧缓冲区绑定。这部分绘制结果会存储在纹理 screenTexture 中。
切换到默认的颜色缓冲区，注意从这里开始绘制的结果可见，开启 α 混合，blendFunc 设置的两个参数效果是重叠的部分后绘制会覆盖先绘制。然后绘制了整个纹理 screenTexture ，也就是说帧缓冲区的绘制结果都显示到了画布上。
绘制完成后，使用了中间变量进行替换，纹理 backgroundTexture 变成了现在呈现的纹理内容，作为下一帧的背景。
接着切换到帧缓冲区更新粒子状态，指定的纹理是 particleStateTexture1，注意从这里开始绘制的结果是不可见的，基于纹理 particleStateTexture0 绘制产生偏移后的状态，整个绘制结果会储存在纹理 particleStateTexture1 中。
绘制完成后，使用了中间变量进行替换，纹理 particleStateTexture0 变成了移动后的纹理内容，作为下一帧粒子呈现的依据。这样连续的帧绘制，看起来就是动态的效果。

疑惑

感觉好像是那么回事，但有的还是不太明白。

偏移为什么要用 lookup_wind 里面的计算方式？

原文解释说找平滑插值，但这里面的数学原理是什么？找到之后为什么又要 mix 一次？个人也没找到比较好的解释。

参考资料

How I built a wind map with WebGL

最近看了电影《酷爱电影的庞波小姐》，看了内容后感觉这名称跟作品主体不是很贴切。

这个类型和《白箱》有些类似，电影里面后续感觉有些太顺畅，可能是限于篇幅不能讲的过多。

里面剪辑影片时候展现的效果很不错，让我想起来《黑客帝国》第一部里面选择武器装备时候的效果。

99-poster

风场可视化：绘制轨迹

引子

绘制轨迹

纹理

屏幕着色器程序

顶点数据

顶点着色器

片元着色器

更新着色器程序

顶点数据

顶点着色器

片元着色器

怎么获取相邻 4 个像素？

二维地图中，两极和赤道粒子如何区别？

绘制

疑惑

偏移为什么要用 lookup_wind 里面的计算方式 ？

参考资料

偏移为什么要用 lookup_wind 里面的计算方式？