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文介紹利用流體算法，模擬水墨特效。
本文主要參考了 恬納微晰 的 github 實現和 GPU Gems 第 38 章
https://github.com/TNWX-Z/EnhanceSmokeSimulationPro
https://developer.download.nvidia.com/books/HTML/gpugems/gpugems_ch38.html
恬納微晰的實現效果
GPU Gems
之前在網上搜索流體算法的時候看到了 恬納微晰 的實現， 但是是通過 shader 在 image effect 里實現的。恰好中文的流體算法的看得懂的相關資料不多。于是我就做了一個 compute shader 的實現并學習了相關算法。
這個流體算法， 大體上可以分為 平流模擬（advection）和 旋渦模擬（Vorticity）。使用的是網格的方式模擬每個網點的流速，壓強和密度。
Compute Shader 入門可以看我之前的文章
https://zhuanlan.zhihu.com/p/33675797
計算的數據用了：
RWTexture2D<float4> Result;//渲染結果RWTexture2D<float4> Flowmap;//流速圖RWStructuredBuffer<float2> VelocityW;//流速 寫入StructuredBuffer<float2> VelocityR;//流速 讀取RWStructuredBuffer<float> Curled;// 卷曲度RWStructuredBuffer<float> Divergenced;//發散度RWStructuredBuffer<float> DensityW;//密度 寫入StructuredBuffer<float> DensityR;//密度 讀取RWStructuredBuffer<float4> ColorW;//顏色 寫入StructuredBuffer<float4> ColorR;//顏色 讀取
主要計算步驟為：
Advection //平流計算Curl //卷曲計算Vorticity //旋渦Divergence //發散Pressure //壓力GradientSubtract //梯度減法RenderTex //渲染Splat //筆刷繪制
Advection 平流的計算為, 根據當前的流速, 反推時間 deltaTime后流到這個位置的 網點的信息, 作為自己deltaTime后的信息.
比如當前流速是 v = 1m, 那么t = 0.1s后會流到這個位置的坐標c就是當前坐標 減去v * t
Curl 卷曲計算 為根據當前格子周圍格子的速度, 計算出當前網點的旋轉速度。這個量是垂直于計算面的。
藍色為周圍網格的流速，黃色箭頭為卷曲度，即當前網點的 旋轉速度。
Vorticity 旋渦計算的是當前網點附近的 卷曲值 對網點流速的影響。周圍網點流速的不均衡導致當前網點的流速獲得一個改變方向的力。
Divergence 發散 和 Pressure 壓力的迭代，模擬了壓力在網點間的傳播。
大部分 2D 水面模擬會用 壓強和密度來計算水波的傳播，比如 奧日與黑森林
藍色為周圍網點的流速，綠色箭頭為壓力。當周圍向中心流動時，壓強上升，反之則壓強下降。
黑色折線為當前壓力。綠色為與相鄰網點的平均值。
每個網點會盡量保證自己的壓強跟周圍的網點一致。壓強的傳播就代表流速的傳播。根據液體粘稠度的不同，傳播速度也會不同。
維基百科：粘度 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%8F%E5%BA%A6
將這兩個函數迭代一定次數后， 進行 Gradient Subtract 梯度衰減
RenderTex 為將當前顏色輸出到 Result。我這里做水墨黑白效果所以就直接反了個色。
Splat 為用畫筆寫入顏色。傳入鼠標位置 和繪制半徑， 根據當前網格與鼠標位置計算繪制的顏色和流速。傳入一張筆觸貼圖作為控制。
左邊為流速圖， 右邊為繪制面板。
按
操縱桿依次為 筆刷大小，濃度，時間步長，迭代次數，液體阻尼，密度阻尼，顏色淡出，筆刷移動速度的影響。
項目源文件：https://github.com/sacshadow/WaterEffectResearch
其他參考：http://www.cs.cmu.edu/~kmcrane/Projects/GPUFluid/paper.pdf
作者開發中的游戲：https://indienova.com/g/wjdr
碼來做藝術？
藝術家的作品大多有點高深，除非是寫實類作品，不然你不一定能「看懂」。
而代碼對大多數人來說也是艱難的。對非專業人士來說，代碼可能比藝術品還要復雜。那么，如果用代碼來搞藝術創作，這一切會更簡單嗎？
《索思沃爾德的夜晚》是一幅安靜的圖畫。即將西下的太陽光撒在湖面上，湖上波光粼粼，泛著金光，波浪的漣漪一點點的散開。岸上的建筑物則安然有序，燈塔、圍墻、小房子，組成了這幅安靜的風景圖。
有人覺得這幅畫看上去冷清，過于安靜，是一幅悲傷的畫。
有人覺得這幅畫陽光照耀四方，小屋整齊的立在一旁，是一幅和諧又溫暖的風景畫。
當然，如果這些人知道這幅畫是用代碼畫的，可能就只會說這是一幅很漂亮的畫了。畢竟代碼聽上去就和藝術無關，和情感表達無緣。
此畫的作者本·埃文斯是一個網頁設計師，是一個前端開發，也是一個插畫家。《索思沃爾德的夜晚》是他用層疊樣式表（CSS）畫的一幅作品。除了這幅畫，他還用 CSS 畫過大海，畫過撲克牌。
和他一樣使用 CSS 畫畫的人也不止一個，近些年還有越來越多的趨勢。
自由網絡開發者克里斯·帕特爾畫的辛普森一家是前些年的作品，只是近來才開始被人注意。在 GitHub 上，你可以輕易找到創作者的代碼，并在它的基礎上進行更改。
當你復制原作者的代碼，再稍以修改后，你就可以畫出屬于自己的辛普森。你還可以給他變色，讓他從透明變成黃色、藍色、綠色。
在 CSS 作圖這個領域，數字藝術家戴安娜·史密斯則是一個不可忽略的先驅人物，他以 CSS 的巴洛克風格作畫而聞名，創作過多幅 18 世紀復古風格的作品，也畫過現實向的靜物海報。
史密斯的作品從來不使用繪圖軟件，他只用手寫的 HTML / CSS代碼創建精美的圖片。作為一個每天 90% 的工作都圍繞著 JavaScript 工作的程序員，史密斯卻更喜歡 CSS 作畫，因為 CSS 有一些限制的規則。
這只是我喜歡 CSS 的眾多原因之一。
有限的規則正是它的樂趣所在，你不會期望 CSS 能滿足你所有的需求。這就是為什么當你在 CSS 最終找到了一種（可以滿足你的）方法時，它就會變得更有價值。
在工作之余，史密斯還會不斷回到 CSS 尋找藝術靈感，在限制之中創作新的藝術作品。
因為一些關于這些限制的東西一直在召喚著我。當我在說嚴格的限制是激發創造力的最佳催化劑時，我并不孤單。因為完全的藝術創作自由可能是一個令人麻痹的概念。
值得一提的是，有限制的 CSS 圖畫不是一個完全靜態的藝術作品。不管是簡單的辛普森一家頭像畫還是精致的巴洛克肖像畫、風景畫，他們都是會變化的。每個人可以通過改變開源的代碼來創作出自己的 CSS 圖畫。
在此之外，選擇不同的瀏覽器打開圖像也會呈現不同的作品。作為實時呈現的圖畫，每個瀏覽器在加載頁面時都會將圖畫的代碼呈現為繪圖。
而大多數的數字藝術家都是在 Chrome 瀏覽器上處理代碼的。所以除了 Chrome 瀏覽器能夠呈現圖片本身預想的畫作外，其它瀏覽器都會「畫」出不同的圖像。這也展示了不同瀏覽器轉換工作的差別。
創作者說不考慮圖畫的兼容性問題，反而更有意思。
由于這個項目的藝術性原因，我并不關心跨瀏覽器的兼容性，所以實時預覽可能在除 Chrome 之外的任何瀏覽器中看起來都很可笑。
適配單一瀏覽器也有驚喜。當我們將這些代碼放進不同瀏覽器的時候，有的圖像有了出乎意料的變化。
Chrome 瀏覽器在羽毛和發絲的轉換上非常細致，展現了本身的細節，Safari 瀏覽器則在部分高光的處理上有點過火，裙子也多了一條豎線。
不過隨著時間往前移，我們用更多版本的瀏覽器配上 CSS 代碼圖畫時，呈現效果就會更特別。
這幅畫本尊是這樣的：
在 Safari 瀏覽器中，蕾絲的花邊裝飾直接蓋在了女人的臉上，看不出原圖。
在 2014 版本的 Opera 瀏覽器中，畫作有了一種全然不同的風格。
脖子分成了三個部分，眉毛、頭發、眼睫毛的位置都出現了偏移和錯位，更條碼式。
而 Edge 瀏覽器則自動消掉了畫作的棱角，使整幅圖畫更為平滑、陰沉。
最后在上古時期的網景瀏覽器中，這位女士的嘴巴、眼睛等五官都變成了不同大小的方塊，有點樂高的感覺，風格獨樹一幟。
作為該領域的先驅人物，史密斯給這些圖畫的表現賦予了更多的意義：
當你在不同的瀏覽器上查看這張圖片時，你就像是在查看互聯網的歷史，以及當時用戶對瀏覽器的要求。
代碼是冰冷的、理性的代表，它是沒有感情的。而畫作的藝術則能表達作者豐沛的情感和思想。但當理性的代碼用來創作感性的畫作時，這一切會改變嗎？
在一部分人看來，數字藝術是不能算作真正的藝術的。
當大片空白可以在瞬息間充滿五彩的色塊，渲染過度也能在強大工具的幫助下變得快捷且自然時，人們認為這不再是藝術了。雖然數字化工具做的畫也可以很漂亮，很有創意，但人們會覺得它沒有「靈魂」。即使它能模仿油畫、水墨等不同風格，但創造出的作品也稱不上藝術。
這個問題甚至可以上升到「代碼是不是藝術」的問題上，深入討論一下藝術的定義和內涵。
在主流觀念中來，那些使用新工具去創作藝術作品的人不算正統藝術家。即便要稱為藝術家，也得在前面加上「數字」兩個字。在大眾的、觀念中，數字藝術家和傳統的藝術家涇渭分明，完全不同。即便這兩種藝術家在顯示生活中已經有了很多工作的交織、身份的重合。
對當下的數字時代而言，隨著互聯網在我們生活中的滲透程度越來越深。每個人可能都會成為數字藝術家，在創作的過程中，都需要數字工具的幫助。
而純粹用數字工具畫出的 CSS 作圖在可玩性、趣味性上都強于普通的藝術作品。即使我們不把它看作一個藝術杰作，它也是一個互聯網的行為藝術作品。
它讓我們意識到自己生活在一個現實扭曲的文化泛濫時代，人與人之間很難獲得一致的事實版本。
你看到的東西是由你的設備版本決定的，是和你選擇的數字工具有關的。當我們看到的東西不一樣的時候，我們創作的東西也是不一樣的。
CSS 作畫與其說是藝術，不如說它讓我們看到了互聯網的一種能力，一次進程，一段歷史。
本文作者 冷思真，首發于公眾號「AppSo」（ID：AppSo），這是一個讓你手機更好用的專業媒體，歡迎識別下方二維碼進行關注
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