如何使用WebGL创建一个逼真的下雨动画

之前写过文章来分别讲解如何使用CSS3和Canvas2D实现过雨滴和下雨动画。

通过背景处理看起来也有视觉上的3D效果，但并非真正的3D场景，

如果要加入用户交互，进行360°全景浏览就很难实现，并且粒子放大后会失真。

今天我们使用WebGL来实现一个真正3D建模的下雨动画，所使用的技术可用于很多场景。

对WebGL没有概念的，请阅读踏得网之前写的WebGL基础知识相关文章。

要使用WebGL绘图，总体上有4个步骤，初始化webgl绘图环境、建立数据模型并绑定缓存、建立着色器程序、关联着色器属性和缓存完成绘制或动画。

要实现一个下雨动画，我们首先要实现一个3D雨滴的绘制。

3D雨滴具有如下特点：

1. 雨滴是一个不规则椭球体，因为重力效应，下面胖上面瘦，Z轴长度比X/Y轴要长

2. 雨滴是一个球透镜。球透镜是凸透镜的一种。凸透镜的成像原理：当物距（u）大于二倍焦距（f）时，所成像为倒立缩小的实像。

   
   

   下图右为平行但不经过主光轴的光线入射球透镜时的光路图；球透镜的焦距（f）即由球心（O）到焦点（F）的距离。

   

   ［左］凸透镜的成像原理；［右］球透镜的光路图，入射光线平行但不经过主光轴。

   经计算可以得出，球透镜的焦距为：

   

   其中，N 为透镜材料的折射率，我们知道水的折射率约为1.33（玻璃的折射率为1.5~1.9），

   不难算出雨滴的焦距（约为） f ≈ 2R。

   在摄影/观察雨景过程中，物距一般远大于2倍焦距的，故透过雨滴观察到的，是远景的倒立缩小实像。

3. 雨滴和水晶球一样，会产生“桶形畸变”，如下图

   

   桶形畸变（Barrel Distortion）又称桶形失真，是一种成像缺陷。使用广角镜头时最容易发生桶形畸变，原本是方形的物体影像，会变成四角向内收缩、边线中段则向外凸出，好象木桶一样。

4. 由于存在重力加速度，雨滴将呈现加速下落的运动

5. 雨滴的大小是随机的，而小雨滴容易受到风阻影响，所以原则上大雨滴的下落速度要快，也就是雨滴的速度是各自不同的。

我们完成一个雨滴对象的绘制后，在尺寸、形状和位置这个方面引入随机量，从而生成大量雨滴。

最后在Y方向上添加恒定加速度和随机阻力，形成下落的动画。

生成不规则椭球体

所谓创建一个球体，在WebGL中，我们是创建一个多面体，而多面体由一组顶点所定义。

我们模仿地球，使用经纬线来生成椭球体的各个顶点（vertex），坐标设定使用椭球体坐标公式：

x=asinθcosφ

y=bsinθsinφ

z=ccosθ (0≤θ≤π, 0≤φ<2π)

其中a,b,c是椭球体的3个半径，θ（theta）是z轴夹角，φ(phi)是投影到x/y平面上从x开始的夹角。

代码类似如下：(注意WebGL中的x/y/z坐标轴的方向和上述立体几何学中不完全相同）

var latitudeBands = 60;
var longitudeBands = 60;
var radius = 0.4;
var aRadius = radius * 1.2;
var bRadius = radius * 1.3;
var cRadius = radius * 1.0;
var vertexPositionData = [];
var normalData = [];
var textureCoordData = [];
for (var latNumber = 0; latNumber <= latitudeBands; latNumber++) {
    var theta = latNumber * Math.PI / latitudeBands;
    var sinTheta = Math.sin(theta);
    var cosTheta = Math.cos(theta);
    
    for (var longNumber = 0; longNumber <= longitudeBands; longNumber++) {
        var phi = longNumber * 2 * Math.PI / longitudeBands;
        var sinPhi = Math.sin(phi);
        var cosPhi = Math.cos(phi);
    
        var x = aRadius * cosPhi * sinTheta;
        var y = bRadius * cosTheta;
        var z = cRadius * sinPhi * sinTheta;
    
        vertexPositionData.push(radius * x);
        vertexPositionData.push(radius * y);
        vertexPositionData.push(radius * z);
    }
}

创建透镜效果

透镜效果最主要的就是要实现一个倒影图像，我们使用纹理贴图(Texture)来实现。

贴图到球面的投影，参考地图圆柱体投影方法（原理见下图）来实现：

不同的是，只需要投影正面区域，因为我们一般只观察正前方区域，我们可以制作一个半面的贴图。

我们可以直接把贴图旋转180°，或者通过投影时给y坐标一个负数值来实现倒影效果。

//纹理图片加载完成时执行的回调函数
function handleLoadedTexture(texture) {
    gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, true);//把几何坐标转换成屏幕坐标，即Y轴翻转
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
    gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, texture.image);//使用TEXTURE0来绑定贴图
    //设置纹理缩放过滤器参数
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
    gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR_MIPMAP_NEAREST);
    gl.generateMipmap(gl.TEXTURE_2D);

    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, null);
}

var dropTexture;
function initTexture() {
    dropTexture = gl.createTexture();
    dropTexture.image = new Image();
    dropTexture.image.onload = function() {
        handleLoadedTexture(dropTexture)
    }

    dropTexture.image.src = "//wow.techbrood.com/assets/love_half_r.png";
}

//按照外切圆柱投影法生成顶点纹理贴图的坐标
for (var latNumber = 0; latNumber <= latitudeBands; latNumber++) {
    aRadius -= latNumber * radius / 1000;
    var theta = latNumber * Math.PI / latitudeBands;
    var sinTheta = Math.sin(theta);
    var cosTheta = Math.cos(theta);

    for (var longNumber = 0; longNumber <= longitudeBands; longNumber++) {
        var u = 1 - (longNumber / longitudeBands);
        var v = 1 - (latNumber / latitudeBands);

        textureCoordData.push(u);
        textureCoordData.push(v);
    }
}

我们通过上面的方法处理球面贴图时，会同时生成相应的桶形变形效果。

随机雨滴的生成和动画

接下来我们给雨滴的形状、大小、位置以及速度添加随机分量，来模拟下雨的动画。

function drawScene() {
   //......
    for (var i = 0; i < SPHERE_NUM; i++) {
        g_mMatrix[i][13] -= 0.1 + i * Math.random() * 0.002;//随机速度
        if (g_mMatrix[i][13] < -6.5) {//随机位置
            g_mMatrix[i][12] = Math.random() * 30.0 - 15.0;
            g_mMatrix[i][13] = 6.5;
            g_mMatrix[i][14] = Math.random() * 4.0 - 20.0;
        };

        //使用纹理TEXTURE0
        gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
        gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, dropTexture);
        gl.uniform1i(shaderProgram.samplerUniform, 0);

        var blending = true;
        if (blending) {//使用混合模式
            gl.blendFunc(gl.SRC_ALPHA, gl.ONE);
            gl.enable(gl.BLEND);
            gl.disable(gl.DEPTH_TEST);
            gl.uniform1f(shaderProgram.alphaUniform, 1.0);
        } else {
            gl.disable(gl.BLEND);
            gl.enable(gl.DEPTH_TEST);
        }

    }
    //......
}

function initBuffer() {
    //......
    var latitudeBands = 60;
    var longitudeBands = 60;
    var radius = 0.5;
    //创建随机形状和大小的椭球体，保持总体形状为一个蒜头形
    var aRadius = radius * (1.2 + Math.random());
    var bRadius = radius * (1.3 + Math.random());
    var cRadius = radius * 1.0;
    var vertexPositionData = [];
    var normalData = [];
    var textureCoordData = [];
    for (var latNumber = 0; latNumber <= latitudeBands; latNumber++) {
        aRadius -= latNumber * radius / 1000;
        var theta = latNumber * Math.PI / latitudeBands;
        var sinTheta = Math.sin(theta);
        var cosTheta = Math.cos(theta);

        for (var longNumber = 0; longNumber <= longitudeBands; longNumber++) {
            var phi = longNumber * 2 * Math.PI / longitudeBands;
            var sinPhi = Math.sin(phi);
            var cosPhi = Math.cos(phi);

            var x = aRadius * cosPhi * sinTheta;
            var y = -(bRadius * cosTheta);
            var z = cRadius * sinPhi * sinTheta;

            normalData.push(x);
            normalData.push(y);
            normalData.push(z);

            vertexPositionData.push(radius * x);
            vertexPositionData.push(radius * y);
            vertexPositionData.push(radius * z);
        }
    }
    //......
}

最后我们编写动画程序的主流程，动画我们使用本站这篇文章中介绍过的requestAnimationFrame接口：

function main() {
    window.scrollTo(0, 0);

    var canvas = document.getElementById("container");
    initGL(canvas);
    initShaders();
    initBuffers();
    initTexture();

    //gl.clearColor(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); //clear background
    gl.enable(gl.DEPTH_TEST);

    requestAnimationFrame(drawScene());
}

window.addEventListener('load', main);