风场可视化：绘制轨迹

XXHolic - 2022-03-14 22:28:30

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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-windOriginMy GitHub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：

JavaScript WebGL 图片透明处理JavaScript WebGL 帧缓冲区对象

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

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