android bitmap 特效,【Android】Android 上实现水波特效

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-10-05 05:42 306阅读 0赞

Android上实现水波特效

罗朝辉(http://www.cppblog.com/kesalin)

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说明：

本文算法部分整理自 Imagic。我只是在学习Android的过程中，想到这个特效，然后就在Android上实现出来，并在源算法的基础上添加了雨滴滴落特效，以及划过水面时的涟漪特效。 该程序在模拟器和真机上运行速度都较慢，需要进一步优化或使用JNI实现，如果你想到好的优化算法，请联系我：

基础知识：

在讲解代码之前，我们来回顾一下在高中的物理课上我们所学的关于水波的知识。水波有扩散，衰减，折射，反射，衍射等几个特性：

扩散：当你投一块石头到水中，你会看到一个以石头入水点为圆心所形成的一圈圈的水波，这里，你可能会被这个现象所误导，以为水波上的每一点都是以石头入水点为中心向外扩散的，这是错误的。实际上，水波上的任何一点在任何时候都是以自己为圆心向四周扩散的，之所以会形成一个环状的水波，是因为水波的内部因为扩散的对称而相互抵消了。

衰减：因为水是有阻尼的，否则，当你在水池中投入石头，水波就会永不停止的震荡下去。

折射：因为水波上不同地点的倾斜角度不同，所以我们从观察点垂直往下看到的水底并不是在观察点的正下方，而有一定的偏移。如果不考虑水面上部的光线反射，这就是我们能感觉到水波形状的原因。

反射：水波遇到障碍物会反射。

衍射：在水池中央放上一块礁石，或放一个中间有缝的隔板，那么就能看到水波的衍射现象了。

算法推导：

好了，有了这几个特性，再运用数学和几何知识，我们就可以模拟出真实的水波了。但是，如果你曾用3DMax做过水波的动画，你就会知道要渲染出一幅真实形状的水波画面少说也得好几十秒，而我们现在需要的是实时的渲染，每秒种至少也得渲染20帧才能使得水波得以平滑的显示。考虑到电脑运算的速度，我们不可能按照正弦函数或精确的公式来构造水波，不能用乘除法，更不能用sin、cos等三角函数，只能用一种取近似值的快速算法，尽管这种算法存在一定误差，但是为了满足实时动画的要求，我们不得不这样做。

首先我们要建立两个与水池图象一样大小的数组buf1\[PoolWidth \* PoolHeight\]和buf2\[PoolWidth \* PoolHeight\](PoolWidth为水池图象的象素宽度、PoolHeight为水池图象的象素高度)，用来保存水面上每一个点的前一时刻和后一时刻波幅数据，因为波幅也就代表了波的能量，所以在后面我们称这两个数组为波能缓冲区。水面在初始状态时是一个平面，各点的波幅都为0，所以，这两个数组的初始值都等于0。

下面来推导计算波幅的公式

![a8d0267d510ffa7a1b608a18e8c3295b.gif][]

我们假设存在这样一个一次公式，可以在任意时刻根据某一个点周围前、后、左、右四个点以及该点自身的振幅来推算出下一时刻该点的振幅，那么，我们就有可能用归纳法求出任意时刻这个水面上任意一点的振幅。如左图，你可以看到，某一时刻，X0点的振幅除了受X0点自身振幅的影响外，同时受来自它周围前、后、左、右四个点(X1、X2、X3、X4)的影响(为了简化，我们忽略了其它所有点)，而且，这四个点对X0点的影响力可以说是机会均等的。那么我们可以假设这个一次公式为：

X0’

= a \* (X1 + X2 + X3 + X4) + b \* X0

(公式1)

a, b为待定系数，X0’为X0点下一时刻的振幅，

X0、X1、X2、X3、X4为当前时刻的振幅

下面我们来求解a和b。

假设水的阻尼为0。在这种理想条件下，水的总势能将保持不变，水波永远波动。也就是说在任何时刻，所有点的振幅的和保持不变。那么可以得到下面这个公式：

X0’ + X1’ + ... + Xn’  =  X0 + X1 + ... + Xn

将每一个点用公式1替代，代入上式，得到：

(4a + b) \* X0 + (4a + b) \* X1 + ... (4a + b) \* Xn = X0 + X1 + ... + Xn=＞

4a+ b = 1

找出一个最简解：a = 1/2、b = -1。

因为1/2可以用移位运算符 “>>”来进行，不用进行乘除法，所以，这组解是最适用的而且是最快的。那么最后得到的公式就是：

X0’=(X1 + X2 + X3 + X4)/ 2 - X0

好了，有了上面这个近似公式，你就可以推广到下面这个一般结论：已知某一时刻水面上任意一点的波幅，那么，在下一时刻，任意一点的波幅就等于与该点紧邻的前、后、左、右四点的波幅的和除以2、再减去该点的波幅。

应该注意到，水在实际中是存在阻尼的，否则，用上面这个公式，一旦你在水中增加一个波源，水面将永不停止的震荡下去。所以，还需要对波幅数据进行衰减处理，让每一个点在经过一次计算后，波幅都比理想值按一定的比例降低。这个衰减率经过测试，用1/32比较合适，也就是1/2^5。可以通过移位运算很快的获得。

到这里，水波特效算法中最艰难的部分已经明了，下面是Android源程序中计算波幅数据的代码。

//某点下一时刻的波幅算法为：上下左右四点的波幅和的一半减去当前波幅，即

// X0' =(X1 + X2 + X3 + X4)/ 2 - X0

//+----x3----+

//+|+

//x1---x0----x2

//+|+

//+----x4----+

voidrippleSpread()

intpixels =m\_width\* (m\_height- 1);

for(inti =m\_width; i < pixels; ++i) \{

//波能扩散:上下左右四点的波幅和的一半减去当前波幅

// X0' =(X1 + X2 + X3 + X4)/ 2 - X0

m\_buf2\[i\] =

(short)(((m\_buf1\[i - 1\] +m\_buf1\[i + 1\]+

m\_buf1\[i -m\_width\] +m\_buf1\[i +m\_width\]) >> 1)

\-m\_buf2\[i\]);

//波能衰减1/32

m\_buf2\[i\] -=m\_buf2\[i\] >> 5;

//交换波能数据缓冲区

short\[\] temp =m\_buf1;

m\_buf1=m\_buf2;

m\_buf2= temp;

渲染:

然后我们可以根据算出的波幅数据对页面进行渲染。

因为水的折射，当水面不与我们的视线相垂直的时候，我们所看到的水下的景物并不是在观察点的正下方，而存在一定的偏移。偏移的程度与水波的斜率，水的折射率和水的深度都有关系，如果要进行精确的计算的话，显然是很不现实的。同样，我们只需要做线性的近似处理就行了。因为水面越倾斜，所看到的水下景物偏移量就越大，所以，我们可以近似的用水面上某点的前后、左右两点的波幅之差来代表所看到水底景物的偏移量。

在程序中，用一个页面装载原始的图像，用另外一个页面来进行渲染。先取得指向两个页面内存区的指针src和dst，然后用根据偏移量将原始图像上的每一个象素复制到渲染页面上。进行页面渲染的代码如下：

voidrippleRender()

intoffset;

inti =m\_width;

intlength =m\_width\*m\_height;

for(inty = 1; y

for(intx = 0; x

//计算出偏移象素和原始象素的内存地址偏移量:

//offset = width \* yoffset + xoffset

offset

= (m\_width\* (m\_buf1\[i -m\_width\] -m\_buf1\[i +m\_width\])) + (m\_buf1\[i - 1\] -m\_buf1\[i + 1\]);

//判断坐标是否在范围内

if(i + offset >

0 && i + offset < length) \{

m\_bitmap2\[i\] =m\_bitmap1\[i + offset\];

else\{

m\_bitmap2\[i\] =m\_bitmap1\[i\];

增加波源：

俗话说：无风不起浪，为了形成水波，我们必须在水池中加入波源，你可以想象成向水中投入石头，形成的波源的大小和能量与石头的半径和你扔石头的力量都有关系。知道了这些，那么好，我们只要修改波能数据缓冲区buf，让它在石头入水的地点来一个负的“尖脉冲”，即让buf\[x,y\] = -n。经过实验，n的范围在(32 ~ 128)之间比较合适。

控制波源半径也好办，你只要以石头入水中心点为圆心，画一个以石头半径为半径的圆，让这个圆中所有的点都来这么一个负的“尖脉冲”就可以了(这里也做了近似处理)。

增加波源的代码如下：

// stoneSize :波源半径

// stoneWeight :波源能量

voiddropStone(intx,inty,intstoneSize,intstoneWeight)

//判断坐标是否在范围内

if((x + stoneSize) >m\_width|| (y +

stoneSize) >m\_height

(x - stoneSize) < 0 || (y - stoneSize) < 0) \{

return;

intvalue = stoneSize \* stoneSize;

shortweight = (short)-stoneWeight;

for(intposx = x - stoneSize; posx < x +

stoneSize; ++posx) \{

for(intposy = y - stoneSize; posy < y +

stoneSize; ++posy) \{

if((posx - x) \* (posx - x) + (posy - y) \*

(posy - y)

< value)

m\_buf1\[m\_width\* posy + posx\] = weight;

如果我们想要模拟在水面划过时引起的涟漪效果，那么我们还需要增加新的算法函数

breasenhamDrop。

voiddropStoneLine(intx,inty,intstoneSize,intstoneWeight) \{

//判断坐标是否在屏幕范围内

if((x + stoneSize) >m\_width|| (y +

stoneSize) >m\_height

|| (x - stoneSize) < 0 || (y -

stoneSize) < 0) \{

return;

for(intposx = x - stoneSize; posx < x +

stoneSize; ++posx) \{

for(intposy = y - stoneSize; posy < y +

stoneSize; ++posy) \{

m\_buf1\[m\_width\* posy + posx\] = -40;

// xs, ys

:起始点，xe, ye :终止点

// size :波源半径，weight :波源能量

voidbreasenhamDrop(intxs,intys,intxe,intye,intsize,intweight)

intdx = xe - xs;

intdy = ye - ys;

dx = (dx >= 0) ? dx : -dx;

dy = (dy >= 0) ? dy : -dy;

if(dx == 0 && dy == 0) \{

dropStoneLine(xs, ys, size, weight);

elseif(dx == 0) \{

intyinc = (ye - ys

!= 0) ? 1 : -1;

for(inti = 0; i <

dy; ++i)\{

dropStoneLine(xs, ys, size, weight);

ys += yinc;

elseif(dy == 0) \{

intxinc = (xe - xs != 0) ? 1 : -1;

for(inti = 0; i < dx; ++i)\{

dropStoneLine(xs, ys, size, weight);

xs += xinc;

elseif(dx > dy) \{

intp = (dy << 1) - dx;

intinc1 = (dy << 1);

intinc2 = ((dy - dx) << 1);

intxinc = (xe - xs != 0) ? 1 : -1;

intyinc = (ye - ys != 0) ? 1 : -1;

for(inti = 0; i < dx; ++i) \{

dropStoneLine(xs, ys, size, weight);

xs += xinc;

if(p < 0) \{

p += inc1;

else\{

ys += yinc;

p += inc2;

else\{

intp = (dx << 1) - dy;

intinc1 = (dx << 1);

intinc2 = ((dx - dy) << 1);

intxinc = (xe - xs != 0) ? 1 : -1;

intyinc = (ye - ys != 0) ? 1 : -1;

for(inti = 0; i < dy; ++i) \{

dropStoneLine(xs, ys, size, weight);

ys += yinc;

if(p < 0) \{

p += inc1;

else\{

xs += xinc;

p += inc2;

效果图：

![78a87e74b5a504600d28f2e7f5b82142.png][]

划过水面时的涟漪特效![e3e53fb09dafd14a5dd0ba16d1610bf5.png][]

雨滴滴落水面特效

结语：

这种用数据缓冲区对图像进行水波处理的方法，有个最大的好处就是，程序运算和显示的速度与水波的复杂程度是没有关系的，无论水面是风平浪静还是波涛汹涌，程序的fps始终保持不变，这一点你研究一下程序就应该可以看出来。

[a8d0267d510ffa7a1b608a18e8c3295b.gif]: /images/20221005/6edc3041cf7347a5b69efc4b5390871d.png
[78a87e74b5a504600d28f2e7f5b82142.png]: /images/20221005/df2db877f55c4fa6926e339407213e9f.png
[e3e53fb09dafd14a5dd0ba16d1610bf5.png]: /images/20221005/35accf2764924a4b904b172cc3471096.png