Android OpenGL粒子特效

最新推荐文章于 2025-03-01 15:32:34 发布

大耳猫

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分类专栏： Android OpenGL 文章标签： android kotlin android studio 图形渲染

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ZLGSPACE/article/details/142929328

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在本篇，我们将开启一个新的项目，探索粒子的世界。粒子是一种基本的图形元素，它们通常被表示为一组点。通过巧妙地组合一些基础的物理效果，我们能够创造出许多令人惊叹的视觉效果。想象一下，我们可以模拟一个水滴从喷泉中喷出，然后优雅地落回地面的场景。同样，我们也能模拟出逼真的下雨效果，或者制作出爆炸和烟花的动画。粒子系统的数学原理相对简单，这使得它们很容易被集成到任何三维场景中。

在本章，我们将逐步构建一个粒子系统。首先，我们会介绍创建粒子系统所需的基本要素。接下来，我们将添加喷泉效果，让粒子喷射到空中。此外，我们还会探讨如何通过技术手段，如混合和点精灵，来提升粒子的视觉效果，使它们看起来更加好看。

创建着色器

作为开始，我们将构建一个基础的粒子系统，模拟一个喷泉。这个喷泉可以想象成在灯光下喷发的泉水，或者像烟花表演中的喷泉一样。为了实现这个效果，我们需要处理一些技术细节。

首先，我们需要找到一种方式来在内存中表示所有的粒子。虽然可以使用Java对象数组，但在运行时创建和删除大量对象可能会导致资源消耗过大，并且没有简单的方法将数据传递给OpenGL。因此，我们选择将所有粒子数据嵌入到一个固定大小的数组中。添加粒子时，我们只需增加粒子计数，将数据写入粒子数组，并把变化的内容复制到本地缓冲区。当空间不足时，可以通过在数组开头重新开始来回收空间。

接下来，我们需要一种方法来绘制每个粒子。我们将每个粒子表示为一个顶点，并绘制一组点，每个点都有其独特的位置和颜色。

最后，我们需要一种方法来更新这些粒子。将这些逻辑放入着色器程序中，可以让GPU分担一部分更新工作。对于每个粒子，我们需要存储一个方向向量和一个创建时间。利用创建时间，我们可以计算出粒子自创建以来经过的时间，然后使用这个时间、方向向量和位置来推算出粒子当前的位置。我们将使用一个浮点数来存储时间，并以0.0表示粒子系统开始运行的时间。

有了这些基本需求，我们可以为着色器程序制定一套初始规范。首先，我们需要定义一个uniform变量用于投影矩阵，以及一个用于当前时间的uniform变量，以便着色器计算出每个粒子自创建以来经过的时间。我们还需要定义四个与粒子属性相对应的属性：位置、颜色、方向向量和创建时间。

1.编写顶点着色器

让我们开始给着色器添加代码。继续并在“/res/raw/”文件夹内创建一个名为“particle_vertex_shader.glsl”的新顶点着色器。首先以如下定义作为开始：

uniform mat4 u_Matrix;
uniform float u_Time;

attribute vec3 a_Position;
attribute vec3 a_Color;
attribute vec3 a_DirectionVector;
attribute float a_ParticleStartTime;

varying vec3 v_Color;
varying float v_ElapsedTime;

void main(){
    v_Color = a_Color;
    v_ElapsedTime = u_Time - a_ParticleStartTime;
    vec3 currentPosition = a_Position + (a_DirectionVector * v_ElapsedTime);
    gl_Position = u_Matrix * vec4(currentPosition,1.0);
    gl_PointSize = 10.0;
}

这些定义满足了我们的粒子着色器的需求。我们在片段着色器中也需要使用颜色和运行时间，因此我们也为这两个变量创建了两个varying。

在main函数中，我们首先把颜色发送给片段着色器，接着计算粒子从被创建之后运行了多少时间，并且把那个时间也发送给片段着色器。为了计算粒子的当前位置，我们把方向向量与运行时间相乘，并与a_Position相加。运行时间越长，粒子走得越远。

要完成这个着色器代码，我们把粒子用那个矩阵进行投影，而且，因为我们把粒子渲染为一个点，所以把点的大小设成了10个像素。

当我们做数学运算时，要确保不会意外地把w分量弄混乱，这是很重要的。因此，我们将用3分量向量表示位置和方向，只有需要把它与u_Matrix相乘时，才把它转换为完全的4分量向量。这确保上面的数学运算只影响x、y和z分量。

2.编写片段着色器

现在我们可以继续并添加片段着色器了。在与顶点着色器相同的地方创建一个被称为“particle_fragment_shader.glsl”的新文件，并加入如下代码：

precision mediump float;
varying vec3 v_Color;
varying float v_ElapsedTime;

void main(){
    gl_FragColor = vec4(v_Color / v_ElapsedTime,1.0);
}

通过把颜色除以运行时间，这个着色器会使年轻的粒子明亮，而使年老的粒子暗淡。如果发生除以0的情况怎么办？根据规范，这会导致一个不明确的结果，但不会导致着色器程序终止。要一个更加可预测的结果，你可以总是给分母加上一个很小的数。

3.用一个类封装着色器

着色器代码完成了，我们现在可以用一个类封装着色器，它使用我们在本书第一部分所使用的模式。让我们首先给 ShaderProgram加入一些新的常量：

    protected val U_TIME = "u_Time"

    protected val A_DIRECTION_VECTOR = "a_DirectionVector"
    protected val A_PARTICLE_START_TIME = "a_ParticleStartTime"

这些新的常量被定义后，我们可以继续加入一个名为“ParticleShaderProgram”的新类，它继承自ShaderProgram，并以如下代码作为这个类的开始：

    private var uMatrixLocation = 0
    private var uTimeLocation = 0

    var aPositionLocation = 0
    var aColorLocation = 0
    var aDirectionVectorLocation = 0
    var aParticleStartTimeLocation = 0

接着继续完成这个类的定义：

    constructor(context: Context):super(context, R.raw.particle_vertex_shader,R.raw.particle_fragment_shader1){
        uMatrixLocation = findUniformLocationByName(U_MATRIX)
        uTimeLocation = findUniformLocationByName(U_TIME)

        aPositionLocation = findAttribLocationByName(A_POSITION)
        aColorLocation = findAttribLocationByName(A_COLOR)
        aDirectionVectorLocation = findAttribLocationByName(A_DIRECTION_VECTOR)
        aParticleStartTimeLocation = findAttribLocationByName(A_PARTICLE_START_TIME)

        uTextureUnitLocation = findUniformLocationByName(U_TEXTURE_UNIT)
    }

    fun setUniforms(matrix:FloatArray,elapsedTime:Float){
        GLES20.glUniformMatrix4fv(uMatrixLocation,1,false,matrix,0)
        GLES20.glUniform1f(uTimeLocation,elapsedTime)
    }

封装模式与前面篇章的一致，这里就不再过多赘述。