风场可视化：随机重置

引子

在绘制轨迹的效果中，过一段时间就会发现，最后只剩下固定的几条轨迹，原文中也提到了这种现象，也提供了解决思路，个人还是想结合源码再看看。

• 源库：webgl-wind
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原因

随着时间推移，有些粒子产生的偏移超过了范围就会消失，所以需要随机重置消失的风粒子。

解决方案

需要考虑的问题有：

• 什么时候重置？
• 重置的判断条件是什么？
• 重置的方式是什么？

什么时候重置？

在绘制轨迹中，我们知道了产生的偏移是在最后更新粒子纹理信息阶段，这个时机判断保留新的粒子状态还是重置比较合适。

重置的判断条件是什么？

相关的主要逻辑如下：

const updateFrag = `
uniform float u_rand_seed;
uniform float u_drop_rate;
uniform float u_drop_rate_bump;

// pseudo-random generator
const vec3 rand_constants = vec3(12.9898, 78.233, 4375.85453);
float rand(const vec2 co) {
    float t = dot(rand_constants.xy, co);
    return fract(sin(t) * (rand_constants.z + t));
}

void main() {
  vec4 color = texture2D(u_particles, v_tex_pos);
  vec2 pos = vec2(
      color.r / 255.0 + color.b,
      color.g / 255.0 + color.a); // decode particle position from pixel RGBA

  vec2 velocity = mix(u_wind_min, u_wind_max, lookup_wind(pos));
  float speed_t = length(velocity) / length(u_wind_max);

  pos = fract(1.0 + pos + offset);
  // a random seed to use for the particle drop
  vec2 seed = (pos + v_tex_pos) * u_rand_seed;

  // drop rate is a chance a particle will restart at random position, to avoid degeneration
  float drop_rate = u_drop_rate + speed_t * u_drop_rate_bump;
  float drop = step(1.0 - drop_rate, rand(seed));

  vec2 random_pos = vec2(
      rand(seed + 1.3),
      rand(seed + 2.1));
  pos = mix(pos, random_pos, drop);
}
`
this.dropRate = 0.003; // how often the particles move to a random place
this.dropRateBump = 0.01; // drop rate increase relative to individual particle speed
// 代码省略
gl.uniform1f(program.u_rand_seed, Math.random());
gl.uniform1f(program.u_drop_rate, this.dropRate);
gl.uniform1f(program.u_drop_rate_bump, this.dropRateBump);

先介绍一下内置函数：

• step(edge, x)：如果 x < edge ，则返回 0.0 ，否则返回 1.0 。

vec2 seed = (pos + v_tex_pos) * u_rand_seed;

得到的偏移后的位置 pos 加上顶点位置 v_tex_pos ，乘以随机 [0, 1) 之间的随机数 u_rand_seed ，得到一个随机粒子位置 seed 。

float drop_rate = u_drop_rate + speed_t * u_drop_rate_bump;

粒子插值百分比 speed_t 乘以自定义单个粒子流失率 u_drop_rate_bump ，再加上自定义整体流失率，得到综合流失率 drop_rate 。

float drop = step(1.0 - drop_rate, rand(seed));

如果 rand(seed) 小于综合非流失率 1.0 - drop_rate ，那么 drop = 0 ，表示不会重置粒子，否则就会重置粒子。

重置的方式是什么？

重置的方式就是上面的这部分：

const vec3 rand_constants = vec3(12.9898, 78.233, 4375.85453);
float rand(const vec2 co) {
    float t = dot(rand_constants.xy, co);
    return fract(sin(t) * (rand_constants.z + t));
}

vec2 seed = (pos + v_tex_pos) * u_rand_seed;
vec2 random_pos = vec2(
    rand(seed + 1.3),
    rand(seed + 2.1));

这个主要就是原文中所说生成伪随机数。至于为什么用这样的计算方式，需要在数学方面下功夫。

参考资料

• How I built a wind map with WebGL