WebGL着色器渲染小游戏实战

项目起因

经过对 GLSL 的了解，以及 shadertoy 上各种项目的洗礼，现在开发简单交互图形应该不是一个怎么困难的问题了。下面开始来对一些已有业务逻辑的项目做GLSL渲染器替换开发。

起因是看到某些小游戏广告，感觉机制有趣，实现起来应该也不会很复杂，就尝试自己开发一个。

游戏十分简单，类似泡泡龙一样的从屏幕下方中间射出不同颜色大小的泡泡，泡泡上浮到顶部，相同颜色的泡泡可以合并成大一级的不同颜色泡泡。简单说就是一个上下反过来的合成大西瓜。

较特别的地方是为了表现泡泡的质感，在颜色相同的泡泡靠近时，会有水滴表面先合并的效果，这一部分就需要用到着色器渲染来实现了。

项目结构

先对逻辑分层

最上层为游戏业务逻辑Game，管理游戏开始、结束状态，响应用户输入，记录游戏分数等。

其次为游戏逻辑驱动层Engine，管理游戏元素，暴露可由用户控制的动作，引用渲染器控制游戏场景渲染更新。

再往下是物理引擎模块Physics，管理游戏元素之间的关系，以及实现Engine需要的接口。

与引擎模块并列的是渲染器模块Renderer，读取从Engine输入的游戏元素，渲染游戏场景。

这样分层的好处是，各个模块可以独立替换/修改；例如在GLSL渲染器开发完成前，可以替换成其他的渲染器，如2D canvas渲染器，甚至使用HTML DOM来渲染。

结构图如下：

游戏逻辑实现

游戏业务逻辑 Game

因为游戏业务比较简单，这一层只负责做这几件事：

1. 输入HTML canvas元素，指定游戏渲染范围
2. 初始化驱动层Engine
3. 监听用户操作事件touchend/click，调用Engine控制射出泡泡
4. 循环调用Engine的update更新方法，并检查超过指定高度的泡泡数量，如数量超过0则停止游戏

class Game {
  constructor(canvas) {
    this.engine = new Engine(canvas)
    document.addEventListener('touchend', (e) => {
      if(!this.isEnd) {
        this.shoot({
          x: e.pageX,
          y: e.pageY
        }, randomLevel())
      }
    })
  }
  shoot(pos, newBallLevel) {
    // 已准备好的泡泡射出去
    this.engine.shoot(pos, START_V)
    // 在初始点生成新的泡泡
    this.engine.addStillBall(BALL_INFO[newBallLevel])
  }
  update() {
    this.engine.update()
    let point = 0;
    let overflowCount = 0;
    this.engine.physics.getAllBall().forEach(ball => {
      if(!ball.isStatic){
        point += Math.pow(2, ball.level);
        if (ball.position.y > _this.sceneSize.width * 1.2) {
          overflowCount++
        }
      }
    })
    if(overflowCount > 1){
      this.gameEnd(point);
    }
  }
  gameEnd(point) {
    this.isEnd = true
    ...
  }
}

驱动层 Engine

这一层的逻辑负责管理物理引擎Physics和渲染器模块Renderer，并暴露交互方法供Game调用。

指定了物理引擎模块需提供以下接口方法：

1. 在指定的位置生成固定的泡泡，供用户作下一次操作时使用
2. 把固定的泡泡按指定的方向射出

在更新方法update里，读取所有泡泡所在的位置和大小、等级颜色信息，再调用渲染器渲染泡泡。

class Engine {
  constructor(canvas) {
    this.renderer = new Renderer(canvas)
    this.physics = new Physics()
  }
  addStillBall({ pos, radius, level }) {
    this.physics.createBall(pos, radius, level, true)
    this.updateRender()
  }
  shoot(pos, startV) {
    this.physics.shoot(pos, startV)
  }
  updateRender() {
    // 更新渲染器渲染信息
  }
  update() {
    // 调用渲染器更新场景渲染
    this.renderer.draw()
  }
}

物理引擎模块 Physics

物理引擎使用了matter.js，没别的原因，就是因为之前有项目经验，并且自带一个渲染器，可以拿来辅助我们自己渲染的开发。

包括上一节驱动层提到的，物理引擎模块需要实现以下几个功能：

1. 在指定的位置生成固定的泡泡，供用户作下一次操作时使用
2. 把固定的泡泡按指定的方向射出
3. 检查是否有相同颜色的泡泡相撞
4. 相撞的相同颜色泡泡合并为高一级的泡泡

在这之前我们先需要初始化场景：

0.场景搭建

左、右、下的边框使用普通的矩形碰撞体实现。

顶部的半圆使用预先画好的SVG图形，使用matter.js里SVG类的pathToVertices方法生成碰撞体，插入到场景中。

因为泡泡都是向上漂浮的，所以置重力方向为y轴的负方向。

// class Physics

constructor() {
  this.matterEngine = Matter.Engine.create()
  // 置重力方向为y轴负方向（即为上）
  this.matterEngine.world.gravity.y = -1

  // 添加三面墙
  Matter.World.add(this.matterEngine.world, Matter.Bodies.rectangle(...))
  ...
  ...

  // 添加上方圆顶
  const path = document.getElementById('path')
  const points = Matter.Svg.pathToVertices(path, 30)
  Matter.World.add(this.matterEngine.world, Matter.Bodies.fromVertices(x, y, [points], ...))

  Matter.Engine.run(this.matterEngine)
}

1.在指定的位置生成固定的泡泡，供用户作下一次操作时使用

创建一个圆型碰撞体放到场景的指定位置，并记录为Physics的内部属性供射出方法使用。

// class Physics

createBall(pos, radius, level, isStatic) {
  const ball = Matter.Bodies.circle(pos.x, pos.y, radius, {
    ...// 不同等级不同的大小通过scale区分
  })
  // 如果生成的是固定的泡泡，则记录在属性上供下次射出时使用
  if(isStatic) {
    this.stillBall = ball
  }
  Matter.World.add(this.matterEngine.world, [ball])
}

2.把固定的泡泡按指定的方向射出

射出的方向由用户的点击位置决定，但射出的速度是固定的。

可以通过点击位置和原始位置连线的向量，作归一化后乘以初速度大小计算。

// class Physics

// pos: 点击位置，用于计算射出方向
// startV: 射出初速度
shoot(pos, startV) {
  if(this.stillBall) {
    // 计算点击位置与原始位置的向量，归一化（使长度为1）之后乘以初始速度大小
    let v = Matter.Vector.create(pos.x - this.stillBall.position.x, pos.y - this.stillBall.position.y) 
    v = Matter.Vector.normalise(v)
    v = Vector.mult(v, startV)

    // 设置泡泡为可活动的，并把初速度赋予泡泡
    Body.setStatic(this.stillBall, false);
    Body.setVelocity(this.stillBall, v);
  }
}

3.检查是否有相同颜色的泡泡相撞

其实matter.js是有提供两个碰撞体碰撞时触发的collisionStart事件的，但是对于碰撞后合并生成的泡泡，即使与相同颜色的泡泡触碰，也不会触发这个事件，所以只能手动去检测两个泡泡是否碰撞。

这里使用的方法是判断两个圆形的中心距离，是否小于等于半径之和，是则判断为碰撞。

// class Physics

checkCollision() {
  // 拿到活动中的泡泡碰撞体的列表
  const bodies = this.getAllBall()
  let targetBody, srcBody
  // 逐对泡泡碰撞体遍历
  for(let i = 0; i < bodies.length; i++) {
    const bodyA = bodies[i]
    for(let j = i + 1; j < bodies.length; j++) {
      const bodyB = bodies[j]
      if(bodyA.level === bodyB.level) {
        // 用距离的平方比较，避免计算开平方
        if(getDistSq(bodyA.position, bodyB.position) <= 4 * bodyA.circleRadius * bodyA.circleRadius) {
          // 使用靠上的泡泡作为目标泡泡
          if(bodyA.position.y < bodyB.position.y) {
            targetBody = bodyA
            srcBody = bodyB
          } else {
            targetBody = bodyB
            srcBody = bodyA
          }
          return {
            srcBody,
            targetBody
          }
        }
      }
    }
  }
  return false
}

4.相撞的相同颜色泡泡合并为高一级的泡泡

碰撞的两个泡泡，取y座标靠上的一个作为合并的目标，靠下的一个作为源泡泡，合并后的泡泡座标设在目标泡泡座标上。

源泡泡碰撞设为关闭，并设为固定位置；

只实现合并的功能的话，只需要把源泡泡的位置设为目标泡泡的座标就可以，但为了实现动画过渡，源泡泡的位置移动做了如下的处理：

1. 在每个更新周期计算源泡泡和目标泡泡位置的差值，得到源泡泡需要移动的向量
2. 移动向量的1/8，在下一个更新周期重复1、2的操作
3. 当两个泡泡的位置差值小于一个较小的值（这里设为5）时，视为合并完成，销毁源泡泡，并更新目标泡泡的等级信息

// class Physics

mergeBall(srcBody, targetBody, callback) {
  const dist = Math.sqrt(getDistSq(srcBody.position, targetBody.position))
  // 源泡泡位置设为固定的，且不参与碰撞
  Matter.Body.setStatic(srcBody, true)
  srcBody.collisionFilter.mask = mergeCategory
  // 如果两个泡泡合并到距离小于5的时候, 目标泡泡升级为上一级的泡泡
  if(dist < 5) {
    // 合并后的泡泡的等级
    const newLevel = Math.min(targetBody.level + 1, 8)
    const scale = BallRadiusMap[newLevel] / BallRaiusMap[targetBody.level]
    // 更新目标泡泡信息
    Matter.Body.scale(targetBody, scale, scale)
    Matter.Body.set(targetBody, {level: newLevel})
    Matter.World.remove(this.matterEngine.world, srcBody)
    callback()
    return
  }
  // 需要继续播放泡泡靠近动画
  const velovity = {
    x: targetBody.position.x - srcBody.position.x,
    y: targetBody.position.y - srcBody.position.y
  };
  // 泡泡移动速度先慢后快
  velovity.x /= dist / 8;
  velovity.y /= dist / 8;
  Matter.Body.translate(srcBody, Matter.Vector.create(velovity.x, velovity.y));
}

因为使用了自定义的方法检测泡泡碰撞，我们需要在物理引擎的beforeUpdate事件上绑定检测碰撞和合并泡泡方法的调用

// class Physics

constructor() {
  ...

  Matter.Events.on(this.matterEngine, 'beforeUpdate', e => {
    // 检查是否有正在合并的泡泡，没有则检测是否有相同颜色的泡泡碰撞
    if(!this.collisionInfo) {
      this.collisionInfo = this.checkCollision()
    }
    if(this.collisionInfo) {
      // 若有正在合并的泡泡，（继续）调用合并方法，在合并完成后清空属性
      this.mergeBall(this.collisionInfo.srcBody, this.collisionInfo.targetBody, () => {
        this.collistionInfo = null
      })
    }
  }) 

  ...
}

渲染器模块

GLSL渲染器的实现比较复杂，当前可以先使用matter.js自带的渲染器调试一下。

在Physics模块中，再初始化一个matter.js的render:

class Physics {
  constructor(...) {
    ...
    this.render = Matter.Render.create(...)
    Matter.Render.run(this.render)
  }
}

开发定制渲染器

接下来该说一下渲染器的实现了。

先说一下这种像是两滴液体靠近，边缘合并的效果是怎么实现的。

如果我们把眼镜脱下，或焦点放远一点，大概可以看到这样的图像：

看到这里可能就有人猜到是怎样实现的了。

是的，就是利用两个边缘径向渐变亮度的圆形，在它们的渐变边缘叠加的位置，亮度的相加能达到圆形中心的程度。

然后在这个渐变边缘的图形上加一个阶跃函数滤镜（低于某个值置为0，高于则置1），就可以得出第一张图的效果。

着色器结构

因为泡泡的数量是一直变化的，而片段着色器fragmentShader的for循环判断条件（如i < length）必须是和常量作判断，（即length必须是常量）。

所以这里把泡泡座标作为顶点座标传入顶点着色器vertexShader，初步渲染泡泡轮廓：

// 顶点着色器 vertexShader
attribute vec2 a_Position;
attribute float a_PointSize;

void main() {
  gl_Position = vec4(a_Position, 0.0, 1.0);
  gl_PointSize = a_PointSize;
}

// 片段着色器 fragmentShader
#ifdef GL_ES
precision mediump float;
#endif

void main() {
  float d = length(gl_PointCoord - vec2(0.5, 0.5));
  float c = smoothstep(0.40, 0.20, d);
  gl_FragColor = vec4(vec3(c), 1.0);
}

// 渲染器 Renderer.js
class GLRenderer {
  ...
  // 更新游戏元素数据
  updateData(posData, sizeData) {
    ...
    this.posData = new Float32Array(posData)
    this.sizeData = new Float32Array(sizeData)
    ...
  }
  // 更新渲染
  draw() {
    ...
    // 每个顶点取2个数
    this.setAttribute(this.program, 'a_Position', this.posData, 2, 'FLOAT')
    // 每个顶点取1个数
    this.setAttribute(this.program, 'a_PointSize', this.sizeData, 1, 'FLOAT')
    ...
  }
}

渲染器的js代码中，把每个点的x,y座标合并成一个一维数组，传到着色器的a_Position属性；把每个点的直径同样组成一个数组，传到着色器的a_PointSize属性。

再调用WebGL的drawArray(gl.POINTS)方法画点，使每个泡泡渲染成一个顶点。

顶点默认渲染成一个方块，所以我们在片段着色器中，取顶点渲染范围的座标（内置属性）gl_PointCoord到顶点中心点（vec2(0.5, 0.5)）距离画边缘亮度径向渐变的圆。

如下图，我们应该能得到每个泡泡都渲染成灯泡一样的效果：

注意这里的WebGL上下文需要指定混合像素算法，否则每个顶点的范围会覆盖原有的图像，观感上为每个泡泡带有一个方形的边框

gl.blendFunc(gl.SRC_ALPHA, gl.ONE)
gl.enable(gl.BLEND);

如上文所说的，我们还需要给这个图像加一个阶跃函数滤镜；但我们不能在上面的片段着色器上直接采用阶跃函数处理输出，因为它是对每个顶点独立渲染的，不会带有其他顶点在当前顶点范围内的信息，也就不会有前面说的「亮度相加」的计算可能。

一个思路是将上面着色器的渲染图像作为一个纹理，在另一套着色器上做阶跃函数处理，作最后实际输出。

对于这样的多级处理，WebGL建议使用FrameBuffer容器，把渲染结果绘制在上面；整个完整的渲染流程如下：

泡泡绘制 --> frameBuffer --> texture --> 阶跃函数滤镜 --> canvas

使用frameBuffer的方法如下：

// 创建frameBuffer
var frameBuffer = gl.createFramebuffer()
// 创建纹理texture
var texture = gl.createTexture()
// 绑定纹理到二维纹理
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture)
// 设置纹理信息，注意宽度和高度需是2的次方幂，纹理像素来源为空
gl.texImage2D(
  gl.TEXTURE_2D,
  0,
  gl.RGBA,
  1024,
  1024,
  0,
  gl.RGBA,
  gl.UNSIGNED_BYTE,
  null
)
// 设置纹理缩小滤波器
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR)
// frameBuffer与纹理绑定
gl.framebufferTexture2D(gl.FRAMEBUFFER, gl.COLOR_ATTACHMENT0, gl.TEXTURE_2D, texture, 0)

使用以下方法，指定frameBuffer为渲染目标：

gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, frameBuffer)

当frameBuffer绘制完成，将自动存储到0号纹理中，供第二次的着色器渲染使用

// 场景顶点着色器 SceneVertexShader
attribute vec2 a_Position;
attribute vec2 a_texcoord;
varying vec2 v_texcoord;

void main() {
  gl_Position = vec4(a_Position, 0.0, 1.0);
  v_texcoord = a_texcoord;
}

// 场景片段着色器 SceneFragmentShader
#ifdef GL_ES
precision mediump float;
#endif

varying vec2 v_texcoord;
uniform sampler2D u_sceneMap;

void main() {
  vec4 mapColor = texture2D(u_sceneMap, v_texcoord);
  d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.r);
  gl_FragColor = vec4(vec3(d), 1.0);
}

场景着色器输入3个参数，分别是：

1. a_Position: 纹理渲染的面的顶点座标，因为这里的纹理是铺满全画布，所以是画布的四个角
2. a_textcoord: 各个顶点的纹理uv座标，因为纹理大小和渲染大小不一样（纹理大小为1024*1024，渲染大小为画布大小），所以是从(0.0, 0.0)到(width / 1024, height / 1024)
3. u_sceneMap: 纹理序号，用的第一个纹理，传入0

// 渲染器 Renderer.js
class Renderer {
  ...
  drawScene() {
    // 把渲染目标设回画布
    gl.bindFramebuffer(gl.FRAMEBUFFER, null);
    // 使用渲染场景的程序
    gl.useProgram(sceneProgram);
    // 设置4个顶点座标
    this.setAttribute(this.sceneProgram, "a_Position", new Float32Array([
      -1.0,
      -1.0,

      1.0,
      -1.0,

      -1.0,
      1.0,

      -1.0,
      1.0,

      1.0,
      -1.0,

      1.0,
      1.0
    ]), 2, "FLOAT");
    // 设置顶点座标的纹理uv座标
    setAttribute(sceneProgram, "a_texcoord", new Float32Array([
      0.0,
      0.0,

      canvas.width / MAPSIZE,
      0.0,

      0.0,
      canvas.height / MAPSIZE,

      0.0,
      canvas.height / MAPSIZE,

      canvas.width / MAPSIZE,
      0.0,

      canvas.width / MAPSIZE,
      canvas.height / MAPSIZE
    ]), 2, "FLOAT");
    // 设置使用0号纹理
    this.setUniform1i(this.sceneProgram, 'u_sceneMap', 0);
    // 用画三角形面的方法绘制
    this.gl.drawArrays(this.gl.TRIANGLES, 0, 6);
  }
}

不同类型的泡泡区别

在上一节中，实现了游戏里不同位置、不同大小的泡泡在画布上的绘制，也实现了泡泡之间粘合的效果，但是所有的泡泡都是一样的颜色，而且不能合并的泡泡之间也有粘合的效果，这不是我们想要的效果；

在这一节，我们把这些不同类型泡泡做出区别。

要区分各种类型的泡泡，可以在第一套着色器中只传入某个类型的泡泡信息，重复绘制出纹理供第二套场景着色器使用。但每次只绘制一个类型的泡泡会增加很多的绘制次数。

其实在上一节的场景着色器中，只使用了红色通道，而绿色、蓝色通道的值和红色是一样的:

d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.r);

其实我们可以在rgb3个通道中传入不同类型的泡泡数据（alpha通道的值若为0时，rgb通道的值与设定的不一样，所以不能使用），这样在一个绘制过程中可以绘制3个类型的泡泡；泡泡的类型共有8种，需要分3组渲染。我们在第一套着色器绘制泡泡的时候，增加传入绘制组别和泡泡等级的数据。

并在顶点着色器和片段着色器间增加一个varying类型数据，指定该泡泡使用哪一个rgb通道。

// 修改后的顶点着色器 vertexShader
uniform int group;// 绘制的组序号
attribute vec2 a_Position;
attribute float a_Level;// 泡泡的等级
attribute float a_PointSize;
varying vec4 v_Color;// 片段着色器该使用哪个rgb通道

void main() {
  gl_Position = vec4(a_Position, 0.0, 1.0);
  gl_PointSize = a_PointSize;
  if(group == 0){
    if(a_Level == 1.0){
      v_Color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);// 使用r通道
    }
    if(a_Level == 2.0){
      v_Color = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);// 使用g通道
    }
    if(a_Level == 3.0){
      v_Color = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);// 使用b通道
    }
  }
  if(group == 1){
    if(a_Level == 4.0){
      v_Color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
    if(a_Level == 5.0){
      v_Color = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);
    }
    if(a_Level == 6.0){
      v_Color = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);
    }
  }
  if(group == 2){
    if(a_Level == 7.0){
      v_Color = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
    if(a_Level == 8.0){
      v_Color = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);
    }
    if(a_Level == 9.0){
      v_Color = vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0);
    }
  }
}

// 修改后的片段着色器 fragmentShader
#ifdef GL_ES
precision mediump float;
#endif

varying vec4 v_Color;

void main(){
  float d = length(gl_PointCoord - vec2(0.5, 0.5));
  float c = smoothstep(0.40, 0.20, d);
  gl_FragColor = v_Color * c;
}

场景片段着色器分别对3个通道作阶跃函数处理（顶点着色器不变），同样传入绘制组序号，区别不同类型的泡泡颜色:

// 修改后的场景片段着色器
#ifdef GL_ES
precision mediump float;
#endif

varying vec2 v_texcoord;
uniform sampler2D u_sceneMap;
uniform vec2 u_resolution;
uniform int group;

void main(){
  vec4 mapColor = texture2D(u_sceneMap, v_texcoord);
  float d = 0.0;
  vec4 color = vec4(0.0);
  if(group == 0){
    if(mapColor.r > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.r);
      color += vec4(0.86, 0.20, 0.18, 1.0) * d;
    }
    if(mapColor.g > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.g);
      color += vec4(0.80, 0.29, 0.09, 1.0) * d;
    }
    if(mapColor.b > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.b);
      color += vec4(0.71, 0.54, 0.00, 1.0) * d;
    }
  }
  if(group == 1){
    if(mapColor.r > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.r);
      color += vec4(0.52, 0.60, 0.00, 1.0) * d;
    }
    if(mapColor.g > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.g);
      color += vec4(0.16, 0.63, 0.60, 1.0) * d;
    }
    if(mapColor.b > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.b);
      color += vec4(0.15, 0.55, 0.82, 1.0) * d;
    }
  }
  if(group == 2){
    if(mapColor.r > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.r);
      color += vec4(0.42, 0.44, 0.77, 1.0) * d;
    }
    if(mapColor.g > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.g);
      color += vec4(0.83, 0.21, 0.51, 1.0) * d;
    }
    if(mapColor.b > 0.0){
      d = smoothstep(0.6, 0.7, mapColor.b);
      color += vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0) * d;
    }
  }
  gl_FragColor = color;
}

这里使用了分多次绘制成3个纹理图像，处理后合并成最后的渲染图像，场景着色器绘制了3次，这需要在每次绘制保留上次的绘制结果；而默认的WebGL绘制流程，会在每次绘制时清空图像，这需要修改这个默认流程：

// 设置WebGL每次绘制时不清空图像
var gl = canvas.getContext('webgl', {
  preserveDrawingBuffer: true
});

class Renderer {
  ...
  update() {
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT)// 每次绘制时手动清空图像
    this.drawPoint()// 绘制泡泡位置、大小
    this.drawScene()// 增加阶跃滤镜
  }
}

经过以上处理，整个游戏已基本完成，在这以上可以再修改泡泡的样式、添加分数展示等的部分。

完整项目源码可以访问: https://github.com/wenxiongid/bubble

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