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。

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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_posquadBuffer 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 RGBAvec2 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 = https://www.it610.com/article/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 ?
【风场可视化(绘制轨迹)】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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