BoomBeach海水效果实现

        刚接触BoomBeach的时候，就十分欣赏他的海面效果，决心拿下SC的这项技术，经过几个月的努力总算有了成果。

        BB的海水说起来也并不难，就是用shader实现的，把他的包拿来解压就可以拿到shader源码和用到的texture，不再赘述。他的主岛场景和地图场景用到了不同的资源，但是原理是相同的，我就只讲主岛的海水实现了。

       

       这张texture就是玩家主岛海水的纹理。

       然后是顶点着色器：

#ifdef GL_ES#ifdef SIMPLEprecision mediump float;#elseprecision highp float;#endif#else#define highp#define mediump#define lowp#endif//#define FOAM#define SIMPLE#ifndef SIMPLE//#ifndef MEDIUM#define LIGHTMAP//#endif // MEDIUM#define REFLECTION#endif // SIMPLE#ifdef FOAM#ifndef SIMPLE#define USE_FOAM#endif // SIMPLE#endif // FOAMattribute vec4 a_position;attribute vec2 a_texCoord;attribute vec4 a_color;// r = foam// g = wave// b = wind// a = depthvarying vec4 v_wave;varying highp vec2 v_bumpUv1;#ifdef USE_FOAMvarying highp vec2 v_foamUv;varying float v_foamPower;#endifvarying vec3 v_darkColor;varying vec3 v_lightColor;varying float v_reflectionPower;#ifdef LIGHTMAPvarying highp vec2 v_worldPos;#endif// uniform   mat4 u_mvp;uniform highp float u_time;uniform mediump float u_1DivLevelWidth;uniform mediump float u_1DivLevelHeight;uniform mediump float WAVE_HEIGHT;uniform mediump float WAVE_MOVEMENT;uniform mediump vec3 SHORE_DARK;uniform mediump vec3 SHORE_LIGHT;uniform mediump vec3 SEA_DARK;uniform mediump vec3 SEA_LIGHT;uniform mediump vec3 u_lightPos;void main(){vec4 pos = a_position;// Calculate new vertex position with wavefloat animTime = a_texCoord.y + u_time;highp float wave = cos(animTime);float waveHeightFactor = (wave + 1.0) * 0.5; // 0,1    pos.y += WAVE_MOVEMENT * waveHeightFactor * a_color.g * a_color.b;    pos.z += wave * WAVE_HEIGHT * a_color.b;gl_Position = CC_MVPMatrix * pos;// Water alphafloat maxValue = 0.55;//0.5;v_wave.x = 1.0 - (a_color.a - maxValue) * (1.0 / maxValue);v_wave.x = v_wave.x * v_wave.x;v_wave.x = v_wave.x * 0.8 + 0.2;v_wave.x -= wave * a_color.b * 0.1;v_wave.x = min(1.0, v_wave.x);// UV coordinatesvec2 texcoordMap = vec2(a_position.x * u_1DivLevelWidth, a_position.y * u_1DivLevelHeight) * 4.0;v_bumpUv1.xy =  texcoordMap + vec2(0.0, u_time * 0.005) * 1.5;// bump uv#ifdef USE_FOAMv_foamUv = (texcoordMap + vec2(u_time * 0.005)) * 5.5;// Calculate foam paramsfloat foamFactor = a_color.r * 2.0 + pow(a_color.r, 3.0);// Add some wave topsfoamFactor += min(5.0, pow((1.0 - waveHeightFactor) * a_color.g * 3.5, 3.0)) * 0.2 * (1.0 - a_color.r);v_foamPower = foamFactor * 0.8 * 3.0;//vec4(foamFactor * 0.6, foamFactor * 0.6, foamFactor * 0.8, 0.0);//foamFactor * 0.1);float temppi = (a_color.a - maxValue) * (1.0 / maxValue);v_foamPower += min(1.0, min(1.0, max(0.0, -wave + 0.5) * 4.0) * temppi) * 0.5;v_foamPower = max(0.0, v_foamPower * a_color.b);//v_wave.z = 0.0;#endifvec3 lightDir = normalize(vec3(-1.0, 1.0, 0.0));vec3 lightVec = normalize(u_lightPos - pos.xyz);v_wave.z = (1.0 - abs(dot(lightDir, lightVec)));v_wave.z = v_wave.z * 0.2 + (v_wave.z * v_wave.z) * 0.8;v_wave.z += 1.1 - (length(u_lightPos - pos.xyz) * 0.008);v_wave.w = (1.0 + (1.0 - v_wave.z * 0.5) * 7.0);#ifdef LIGHTMAPv_worldPos = vec2(pos.x * u_1DivLevelWidth, pos.y * u_1DivLevelHeight);#endif// Blend factor for normal maps    v_wave.y = (cos((a_position.x + u_time) * a_position.y * 0.003 + u_time) + 1.0) * 0.5;// Calculate colorsfloat blendFactor = 1.0 - min(1.0, a_color.a * 1.6);float tx = a_position.x * u_1DivLevelWidth - 0.5;float ty = a_position.y * u_1DivLevelHeight - 0.5;// Here is the code that is commented out below done without a branch and is 2 cycles fasterfloat tmp = (tx * tx + ty * ty) / (0.75 * 0.75);float blendFactorMul = step(1.0, tmp);tmp = pow(tmp, 3.0);// Can't be above 1.0, so no clamp neededfloat blendFactor2 = max(blendFactor - (1.0 - tmp) * 0.5, 0.0);blendFactor = mix(blendFactor2, blendFactor, blendFactorMul);//if ((tx * tx + ty * ty) < (0.75 * 0.75)) {//float tmp = pow(((tx * tx + ty * ty) / (0.75 * 0.75)), 3.0);//blendFactor = clamp(blendFactor - (1.0 - tmp) * 0.5, 0.0, 1.0);//}v_darkColor = mix(SHORE_DARK, SEA_DARK, blendFactor);v_lightColor = mix(SHORE_LIGHT, SEA_LIGHT, blendFactor);v_reflectionPower = ((1.0 - a_color.a) + blendFactor) * 0.5;//blendFactor;// Put to log2 here because there's pow(x,y)*z in the fragment shader calculated as exp2(log2(x) * y + log2(z)), where this is is the log2(z)v_reflectionPower = log2(v_reflectionPower);}

        以及片元着色器：

#ifdef GL_ESprecision mediump float;#else#define highp#define mediump#define lowp#endif//#define FOAM#define SIMPLE#ifndef SIMPLE//#ifndef MEDIUM#define LIGHTMAP//#endif // MEDIUM#define REFLECTION#endif // SIMPLE#ifdef FOAM#ifndef SIMPLE#define USE_FOAM#endif // SIMPLE#endif // FOAMuniform lowp sampler2D normal0;#ifdef USE_FOAMuniform lowp sampler2D foam;#endifvarying vec4 v_wave;varying highp vec2 v_bumpUv1;#ifdef USE_FOAMvarying highp vec2 v_foamUv;varying float v_foamPower;#endifvarying vec3 v_darkColor;varying vec3 v_lightColor;varying float v_reflectionPower;#ifdef LIGHTMAPuniform lowp sampler2D lightmap;varying vec2 v_worldPos;#endifvoid main(){    vec4 normalMapValue = texture2D(normal0, v_bumpUv1.xy);    gl_FragColor = vec4(mix(v_lightColor, v_darkColor, (normalMapValue.x * v_wave.y) + (normalMapValue.y * (1.0 - v_wave.y))), v_wave.x)    #ifdef REFLECTION//pow(x,y)*z is calculated here as exp2(log2(x) * y + log2(z))+ exp2(log2(((normalMapValue.z * v_wave.y) + (normalMapValue.w * (1.0 - v_wave.y))) * v_wave.z) * v_wave.w + v_reflectionPower);//+ vec4(pow(((normalMapValue.z * v_wave.y) + (normalMapValue.w * (1.0 - v_wave.y))) * v_wave.z, v_wave.w)) * v_reflectionPower;#else;#endif#ifdef USE_FOAMgl_FragColor = mix(gl_FragColor, vec4(0.95, 0.95, 0.95, gl_FragColor.a), min(1.0, texture2D(foam, v_foamUv).r * v_foamPower))#ifdef LIGHTMAP * (texture2D(lightmap, v_worldPos) * 1.3);#else;#endif // LIGHTMAP#endif // USE_FOAM}

        接下来进入正题。

        首先BB的海水分为simple和非simple两个版本，用SIMPLE宏来控制，前者只有海水的波动效果，后者还有光的反射和浪花。想完美实现，需要传入正确的uniform和attribute。先拿uniform开刀吧：

        u_time是海水动起来的灵魂，随着每一帧递增，也可以用它来控制海水波动的快慢，换句话说，只有他的值不停改变，海水才能动起来；

        u_1DivLevelWidth和u_1DivLevelHeight一同控制海水的远近，他们的的值越小，海水就会拉得更近，例如我创建的海水容器是512*512的，但是我的场景是1024*1024，这时我就得对海水本身进行scale操作，这样就会把海水放大失真，这时就要调节这两个值来把海水拉远，就可以得到和512*512大小相同的效果；

        WAVE_HEIGHT顾名思义，就是浪高，它和wave值配合来产生层层海浪的效果（wave值之后介绍attribute的时候会讲到）；

        WAVE_MOVEMENT同样，是浪的移动速度，它和wind值配合产生风吹海浪的效果（wind同上）；

        接下来的SHORE_DARK，SHORE_LIGHT，SEA_DARK，SEA_LIGHT分别是岸的明暗rgb值和水的明暗rgb值，SC用了自己的调和系数分别对两个DARK和LIGHT进行mix，得到浅滩水的颜色和深水的颜色，并且完成渐变效果（BB的岸边海水淡绿，深海深蓝就是这么实现的），当然了，这个也配合了depth系数（depth同上，看到同上俩字是不是想杀了我）；

        u_lightPos了，就是光源位置，海水表面的反光就靠他了。

        u_mvp就是变换矩阵了，会opengl的都懂，不再赘述（因为现在开发的项目用了万恶的cocos2dx引擎，所以直接把CC_MVPMatrix拿来用了，使用自己引擎的同学一定要把这个改成自己的矩阵）；

        最后是片元着色器用到的三个texture，normal0，foam，lightmap分别是海水纹理，浪花纹理和光照纹理，我最开始贴的那张应该是烘培过的，可以直接用到normal0和lightmap上，至于浪花的纹理SC用的是ktx材质，如果做2d的话，提取png来用吧。

        uniform到此结束，进入最重要的attribute。它用到的就是最基本的数据：顶点，纹理，颜色。

        顶点坐标我是把512*512切分成网格，再把每个小格划为两个三角形来绘制的，会opengl的依然都懂；

        至于纹理坐标更加简单了，和顶点一样切分就行了；

        最重要的就是颜色了，此处的颜色并不同于真正意义上的颜色，SC把rgba值都用作了海水的信息值，可以看到着色器代码中a_color值得各个分量都在各种wave啊foam啊等等的计算中去了，这实在是我觉得SC高明的地方。

        首先是r值，他的注释写的是foam，这个是用于浪花的，0-255，值越大浪越明显，比如海水绘制时某个顶点的位置上有个大礁石，就把这点的r值设大点吧（BB的岸边，沙滩，礁石，甚至包括新出的海鸥戏水，都可以用r值来做）；

        然后是g，注释是wave，这个就是我之前提到的和WAVE_HEIGHT配合的，0-255，值越大，波动越明显，要注意的是，设g值时要注意参差不齐，某一些顶点高，某一些顶点低这样，否则很难出现海浪交替波动的效果；

        再然后是b值，注释是wind，也是我之前提过的，和WAVE_MOVEMENT配合产生风的效果，0-255，值越大越明显，效果就是脉冲式的移动，拿来做海水打到岸上再合适不过，个人也觉得参差不齐一些更加自然

        最后是a值，注释是depth，之前又提过了（咦？为什么要加个又呢），0-255，值越大水越浅，比如某个顶点处有个小小的浅滩，就把周围顶点的a值设大点吧，效果会比较自然。

        原理介绍完了，根据我之前的解释去用这个shader就可以做出海面啦，最后在说说我遇到的一些问题吧。

        BB用的是3d画布，而这个shader默认的水流方向是向下的，对SC而言，改个camera位置就可以得到右上方向的水流了，但是我等用2d引擎的屌丝就只好自己去变换了（我比较弱，也比较懒，直接用旋转倾斜之类的方法搞了，大神不妨直接去改shader，效果应该会更好）；

        因为源码和参数是我不能直接提供的（看咱这职业道德），uniform也好，attribute也好需要大家多去实验，会有很多收获，uniform直接追踪gpu就可以得到（大神无视，大神一定有千百种办法），重点我觉得还是根据自己的地图来设置出最适合的a_color吧。

        本文的最后，再赞一下SuperCell这间公司吧，确实是业界顶尖公司，单单一个海面就是精雕细琢，我其实也只是学了个表皮，其实更重要的是深入学习原理吧，毕竟如果我哪天觉得想做一个自己的更好的海水效果，就该捉襟见肘了吧。最后贴上一张我在testcpp里的SIMPLE测试版效果吧：

      

        补充一张光照版的，也修改了颜色：