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关于javascript:风场可视化绘制粒子

jiezi

引子

理解风场数据之后，接着去看如何绘制粒子。

  • 源库：webgl-wind
  • Origin
  • My GitHub

绘制地图粒子

查看源库，发现独自有一个 Canvas 绘制地图，获取的世界地图海岸线坐标，次要格局如下：

{
  "type": "FeatureCollection",
  "features": [
    {
      "type": "Feature",
      "properties": {
        "scalerank": 1,
        "featureclass": "Coastline"
      },
      "geometry": {
        "type": "LineString",
        "coordinates": [
          [
              -163.7128956777287,
              -78.59566741324154
          ],
          // 数据省略
        ]
      }
    },
    // 数据省略
  ]
}

这些坐标对应的点连起来就能够造成整体的轮廓，次要逻辑如下：

  // 省略
  for (let i = 0; i < len; i++) {const coordinates = data[i].geometry.coordinates || [];
    const coordinatesNum = coordinates.length;
    for (let j = 0; j < coordinatesNum; j++) {context[j ? "lineTo" : "moveTo"](((coordinates[j][0] + 180) * node.width) / 360,
        ((-coordinates[j][1] + 90) * node.height) / 180
      );
  }
  // 省略

依照 Canvas 理论的宽高度，与生成的风场图片宽高按比例映射。

绘制地图的独自逻辑示例见这里。

绘制风粒子

查看源库，独自有一个 Canvas 绘制风粒子。看源码的时候，发现其中的逻辑波及较多状态，打算先独自弄明确绘制动态粒子的逻辑。

动态风粒子成果见示例。

先理一下实现的次要思路：

  • 风速映射到像素色彩编码的 R 和 G 重量，由此生成了图片 W。
  • 创立显示用的色彩数据，并存放到纹理 T1 中。
  • 依据粒子数，创立存储粒子索引的数据并缓冲。还创立每个粒子相干信息的数据，并存放到纹理 T2 中。
  • 加载图片 W 并将图片数据寄存到纹理 T3 中。
  • 顶点着色器解决的时候，会依据粒子索引从纹理 T2 中获取对应数据，进行转换会生成一个地位 P 传递给片元着色器。
  • 片元着色器依据地位 P 从图片纹理 T3 中失去数据并进行线性混合失去一个值 N，依据 N 在色彩纹理 T1 中失去对应的色彩。

上面就看看具体的实现。

色彩数据

生成色彩数据次要逻辑：

function getColorRamp(colors) {const canvas = document.createElement("canvas");
  const ctx = canvas.getContext("2d");

  canvas.width = 256;
  canvas.height = 1;
  // createLinearGradient 用法：https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/CanvasRenderingContext2D/createLinearGradient
  const gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 256, 0);
  for (const stop in colors) {gradient.addColorStop(+stop, colors[stop]);
  }

  ctx.fillStyle = gradient;
  ctx.fillRect(0, 0, 256, 1);

  return new Uint8Array(ctx.getImageData(0, 0, 256, 1).data);
}

这里通过创立一个突变的 Canvas 失去数据，因为跟色彩要对应，一个色彩重量存储为 8 位二进制，总共 256 种。

Canvas 外面的数据放到纹理中，须要足够的大小：16 * 16 = 256。这里的宽高在前面的片元着色器会用到，须要这两个中央保持一致能力达到预期后果。

this.colorRampTexture = util.createTexture(
  this.gl,
  this.gl.LINEAR,
  getColorRamp(colors),
  16,
  16
);

顶点数据和状态数据

次要逻辑：

set numParticles(numParticles) {
  const gl = this.gl;

  const particleRes = (this.particleStateResolution = Math.ceil(Math.sqrt(numParticles)
  ));
  // 总粒子数
  this._numParticles = particleRes * particleRes;
  // 所有粒子的色彩信息
  const particleState = new Uint8Array(this._numParticles * 4);
  for (let i = 0; i < particleState.length; i++) {
    // 生成随机色彩，色彩会对应到图片中的地位
    particleState[i] = Math.floor(Math.random() * 256);
  }
  // 创立存储所有粒子色彩信息的纹理
  this.particleStateTexture = util.createTexture(
    gl,
    gl.NEAREST,
    particleState,
    particleRes,
    particleRes
  );
  // 粒子索引
  const particleIndices = new Float32Array(this._numParticles);
  for (let i = 0; i < this._numParticles; i++) particleIndices[i] = i;
  this.particleIndexBuffer = util.createBuffer(gl, particleIndices);
}

粒子的色彩信息会存在纹理中，这里创立了宽高相等的纹理，每个粒子色彩 RGBA 4 个重量，每个重量 8 位。留神这里生成随机色彩重量的大小范畴是 [0, 256)。

从前面逻辑可知，这里顶点数据 particleIndexBuffer 是用来辅助计算最终地位，而理论地位跟纹理无关。更加具体见上面顶点着色器的具体实现。

顶点着色器

顶点着色器和对应绑定的变量：

const drawVert = `
  precision mediump float;

  attribute float a_index;

  uniform sampler2D u_particles;
  uniform float u_particles_res;

  varying vec2 v_particle_pos;

  void main(){
      vec4 color=texture2D(u_particles,vec2(fract(a_index/u_particles_res),
              floor(a_index/u_particles_res)/u_particles_res));
  // 从像素的 RGBA 值解码以后粒子地位
  v_particle_pos=vec2(
          color.r / 255.0 + color.b,
          color.g / 255.0 + color.a);

      gl_PointSize = 1.0;
      gl_Position = vec4(2.0 * v_particle_pos.x - 1.0, 1.0 - 2.0 * v_particle_pos.y, 0, 1);
  }
`;

// 代码省略
util.bindAttribute(gl, this.particleIndexBuffer, program.a_index, 1);
// 代码省略
util.bindTexture(gl, this.particleStateTexture, 1);
// 代码省略
gl.uniform1i(program.u_particles, 1);
// 代码省略
gl.uniform1f(program.u_particles_res, this.particleStateResolution);

从这些扩散的逻辑中，找到着色器中变量对应的理论值：

  • a_index：particleIndices 外面的粒子索引数据。
  • u_particles：所有粒子色彩信息的纹理 particleStateTexture。
  • u_particles_res：particleStateResolution 的值，与纹理 particleStateTexture 的宽高统一，也是总粒子数的平方根，也是粒子索引数据长度的平方根。

依据这些对应值，再来看次要的解决逻辑：

vec4 color=texture2D(u_particles,vec2(fract(a_index/u_particles_res),
              floor(a_index/u_particles_res)/u_particles_res));

先介绍两个函数信息：

  • floor(x)：返回小于等于 x 的最大整数值。
  • fract(x)：返回 x - floor(x)，即返回 x 的小数局部。

假如总粒子数是 4，那么 particleIndices = [0,1,2,3] 、u_particles_res = 2，那么二维坐标顺次是 vec2(0,0)、vec2(0.5,0)、 vec2(0,0.5)、vec2(0.5,0.5)。这里的计算形式确保了失去的坐标都在 0 到 1 之间，这样能力在纹理 particleStateTexture 中采集到色彩信息。

这里须要留神的是 texture2D 采集返回的值范畴是 [0, 1]，具体原理见这里。

v_particle_pos=vec2(
        color.r / 255.0 + color.b,
        color.g / 255.0 + color.a);

源码正文说“从像素的 RGBA 值解码以后粒子地位”，联合后面数据来看，这样的计算形式失去重量实践范畴是 [0, 256/255]，。变量 v_particle_pos 会在片元着色器中用到。

gl_Position = vec4(2.0 * v_particle_pos.x - 1.0, 1.0 - 2.0 * v_particle_pos.y, 0, 1);

gl_Position 变量是顶点转换到裁剪空间中的坐标值，裁减空间范畴 [-1.0, +1.0]，想要显示就必须要在这个范畴内，这里的计算形式达到了这个目标。

片元着色器

片元着色器和对应绑定的变量：

const drawFrag = `
  precision mediump float;

  uniform sampler2D u_wind;
  uniform vec2 u_wind_min;
  uniform vec2 u_wind_max;
  uniform sampler2D u_color_ramp;

  varying vec2 v_particle_pos;

  void main() {vec2 velocity = mix(u_wind_min, u_wind_max, texture2D(u_wind, v_particle_pos).rg);
      float speed_t = length(velocity) / length(u_wind_max);

      vec2 ramp_pos = vec2(fract(16.0 * speed_t),
          floor(16.0 * speed_t) / 16.0);

      gl_FragColor = texture2D(u_color_ramp, ramp_pos);
  }
`;

// 代码省略
util.bindTexture(gl, this.windTexture, 0);
// 代码省略
gl.uniform1i(program.u_wind, 0); // 风纹理数据
// 代码省略
util.bindTexture(gl, this.colorRampTexture, 2);
// 代码省略
gl.uniform1i(program.u_color_ramp, 2); // 色彩数据
// 代码省略
gl.uniform2f(program.u_wind_min, this.windData.uMin, this.windData.vMin);
gl.uniform2f(program.u_wind_max, this.windData.uMax, this.windData.vMax);

从这些扩散的逻辑中，找到着色器中变量对应的理论值：

  • u_wind：风场图片生成的纹理 windTexture。
  • u_wind_min：风场数据重量最小值。
  • u_wind_max：风场数据重量最大值。
  • u_color_ramp：创立的色彩纹理 colorRampTexture。
  • v_particle_pos：在顶点着色器外面生成的地位。
vec2 velocity = mix(u_wind_min, u_wind_max, texture2D(u_wind, v_particle_pos).rg);
float speed_t = length(velocity) / length(u_wind_max);

先介绍内置函数：

  • mix(x, y, a)：会返回 x 和 y 的线性混合，计算形式等同于 x*(1-a) + y*a。

velocity 的值确保在 u_wind_min 和 u_wind_max 之间，那么 speed_t 的后果肯定是小于或等于 1。依据 speed_t 依照肯定规定失去地位 ramp_pos，在色彩纹理 colorRampTexture 中失去输入到屏幕的色彩。

绘制

在以上逻辑筹备好后，绘制依照失常的程序执行即可。

尽管是绘制动态的粒子，但在独自抽离的过程中发现，不同数量的粒子，如果只执行一次绘制 wind.draw()，可能无奈实现绘制。

动态风粒子成果见示例。

小结

通过了下面代码逻辑剖析后，再回头看看一开始的次要思路，换个形式表述一下：

  • 依据须要显示的粒子数，随机初始化每一个粒子的色彩编码信息并存放到纹理 T2 中；创立最终显示粒子的色彩纹理 T1；加载风速生成的图片 W 并存放到纹理 T3 中。
  • 最终的目标是从色彩纹理 T1 中获取到色彩并显示，这个过程的形式就是依据纹理 T2 从纹理 T3 中找到一个对应的风速映射点，而后依据这个点从 T1 找到对应的显示色彩。

感觉比一开始的次要思路好懂了一些，但还是有一些疑难。

为什么不间接将纹理 T3 与色彩纹理 T1 关联映射？

目前这里只是整个风场可视化逻辑的一部分重现，回头看看残缺的实现成果：是动静的。那么为了跟踪每一个粒子的挪动，减少一个相干记录变量的实现形式，个人感觉在逻辑上会更加清晰一些，纹理 T2 次要是用来记录粒子数及状态，后续会持续深刻相干逻辑。

顶点着色器中用于纹理采样的二维向量计算根据是什么？

对应的就是为什么用上面这个逻辑：

vec2(fract(a_index/u_particles_res),
  floor(a_index/u_particles_res)/u_particles_res
)

在后面的具体解释中有说，这样的计算形式确保了失去的坐标都在 0 到 1 之间，但能生成这个范畴内的形式应该不止这一种，为什么偏偏选这种，集体也不太分明。前面片元着色器中计算最终地位 ramp_pos 时也用了这样相似的形式。

片元着色器原本就曾经失去一个地位了，为什么还要计算 velocity 重新得到一个地位？

也就是为什么要有上面这段逻辑：

vec2 velocity = mix(u_wind_min, u_wind_max, texture2D(u_wind, v_particle_pos).rg);
float speed_t = length(velocity) / length(u_wind_max);

从顶点着色器中失去地位 v_particle_pos 是基于随机生成的色彩纹理 T2 失去的，后面有说重量值计算实践范畴是 [0, 256/255]，无奈保障肯定能够在风场图片中找到对应的点，那么通过 mix 函数就能够生成一种关联。

片元着色器中计算 ramp_pos 相乘的系数为什么是 16.0？

就是上面这段逻辑：

vec2 ramp_pos = vec2(fract(16.0 * speed_t),
    floor(16.0 * speed_t) / 16.0
  );

通过尝试发现这里的 16.0 是跟后面生成最终显示用的色彩纹理 T1 的宽高须要统一，猜想这样统一能力达到平均的成果。

参考资料

  • How I built a wind map with WebGL
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