如何用OpenGL的点精灵（point sprite）绘制雪花？

Posted 2022-02-17 天元浪子

看冬奥才知道，阿勒泰不但是中国的“雪都”，还是“人类滑雪起源地”。这个说法是否成立，姑且不论，阿勒泰的雪的确很漂亮。冬奥会有一个宣传片，就是借用一朵阿勒泰雪花的视角来讲述冬奥会的故事，既有历史的厚重，又有艺术的浪漫，极具视觉冲击感。

那么问题来了：如何用OpenGL绘制雪花呢？通常，点精灵（point sprite）技术被用于描述大量粒子在屏幕上的运动，自然也可以用于绘制雪花。点精灵可以理解为贴了纹理图片的点——仅用一个vertex就可以把一个2D纹理图片绘制到屏幕的任何位置。

在OpenGL中开启和使用点精灵有一点点复杂，好在WxGL对此做了封装，用起来非常简单。在给出演示代码前，先贴两张雪花的纹理图片。

• snow_1.png
  

• snow_2.png
  

熟悉GLSL语言的同学，很容易读懂着色器源码。将着色器源码、纹理图片装进模型之后，只需要show一下，雪花就显示出来了。如果想实现雪花飘飘的效果，请参考我的另一篇博文《用OpenGL导演一场烟花盛会，迎接即将到来的新年》。

import numpy as np
import wxgl
from wxgl import wxplot as plt

vshader_src = """
    #version 330 core
    in vec4 a_Position;
    uniform mat4 u_MVPMatrix;
    void main()  
        gl_Position = u_MVPMatrix * a_Position; 
        gl_PointSize = (a_Position.z + 1) * 30;
    
"""

fshader_src = """
    #version 330 core
    uniform sampler2D u_Snow_1;
    in float idx;
    void main()  
        gl_FragColor = texture2D(u_Snow_1, gl_PointCoord); 
     
"""

m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True) # 通过sprite=Treue开启点精灵
m.set_vertex('a_Position', np.random.random((300, 3))*2-1) # 随机生成300个点
m.add_texture('u_Snow_1', 'res/image/snow_1.png', wxgl.TEXTURE_2D) # 添加雪花纹理
m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵

plt.model(m)
plt.show()

下面是使用snow_1.png做纹理的效果。

下面是使用snow_2.png做纹理的效果。

不过，这样的雪花略显单调，毕竟，世界上没有两片完全相同的雪花。怎样让雪花看起来更逼真一点呢？下面的代码尝试在片元着色器中混用两种纹理。

import numpy as np
import wxgl
from wxgl import wxplot as plt

vshader_src = """
    #version 330 core
    in vec4 a_Position;
    uniform mat4 u_MVPMatrix;
    void main()  
        gl_Position = u_MVPMatrix * a_Position; 
        gl_PointSize = (a_Position.z + 1) * 30;
    
"""

fshader_src = """
    #version 330 core
    uniform sampler2D u_Snow_1;
    uniform sampler2D u_Snow_2;
    in float idx;
    void main()  
        if (fract(sin(dot(gl_PointCoord ,vec2(12.9898,78.233))) * 43758.5453) < 0.5) 
            gl_FragColor = texture2D(u_Snow_1, gl_PointCoord); 
         else 
            gl_FragColor = texture2D(u_Snow_2, gl_PointCoord);
        
     
"""

m = wxgl.Model(wxgl.POINTS, vshader_src, fshader_src, sprite=True) # 通过sprite=Treue开启点精灵
m.set_vertex('a_Position', np.random.random((300, 3))*2-1) # 随机生成300个点
m.add_texture('u_Snow_1', 'res/image/snow_1.png', wxgl.TEXTURE_2D) # 添加雪花纹理1
m.add_texture('u_Snow_2', 'res/image/snow_2.png', wxgl.TEXTURE_2D) # 添加雪花纹理2
m.set_mvp_matrix('u_MVPMatrix') # 设置模型矩阵、视点矩阵和投影矩阵

plt.model(m)
plt.show()

这个雪花有点独特吧？