文介紹利用流體算法，模擬水墨特效。

參考

本文主要參考了 恬納微晰 的 github 實現(xiàn)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(xiàn)效果

GPU Gems

之前在網(wǎng)上搜索流體算法的時候看到了 恬納微晰 的實現(xiàn)， 但是是通過 shader 在 image effect 里實現(xiàn)的。恰好中文的流體算法的看得懂的相關(guān)資料不多。于是我就做了一個 compute shader 的實現(xiàn)并學(xué)習(xí)了相關(guān)算法。

算法實現(xiàn)

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(wǎng)格的方式模擬每個網(wǎng)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(shù)據(jù)用了：

RWTexture2D<float4> Result;//渲染結(jié)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(fā)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(fā)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(jù)當(dāng)前的流速, 反推時間 deltaTime后流到這個位置的 網(wǎng)點的信息, 作為自己deltaTime后的信息.

比如當(dāng)前流速是 v = 1m, 那么t = 0.1s后會流到這個位置的坐標(biāo)c就是當(dāng)前坐標(biāo) 減去v * t

Curl 卷曲計算 為根據(jù)當(dāng)前格子周圍格子的速度, 計算出當(dāng)前網(wǎng)點的旋轉(zhuǎn)速度。這個量是垂直于計算面的。

藍(lán)色為周圍網(wǎng)格的流速，黃色箭頭為卷曲度，即當(dāng)前網(wǎng)點的 旋轉(zhuǎn)速度。

Vorticity 旋渦計算的是當(dāng)前網(wǎng)點附近的 卷曲值 對網(wǎng)點流速的影響。周圍網(wǎng)點流速的不均衡導(dǎo)致當(dāng)前網(wǎng)點的流速獲得一個改變方向的力。

Divergence 發(fā)散 和 Pressure 壓力的迭代，模擬了壓力在網(wǎng)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(lán)色為周圍網(wǎng)點的流速，綠色箭頭為壓力。當(dāng)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(dāng)前壓力。綠色為與相鄰網(wǎng)點的平均值。

每個網(wǎng)點會盡量保證自己的壓強跟周圍的網(wǎng)點一致。壓強的傳播就代表流速的傳播。根據(jù)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(shù)迭代一定次數(shù)后， 進行 Gradient Subtract 梯度衰減

RenderTex 為將當(dāng)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(biāo)位置 和繪制半徑， 根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)格與鼠標(biāo)位置計算繪制的顏色和流速。傳入一張筆觸貼圖作為控制。

最終結(jié)果

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(shù)，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(fā)中的游戲：https://indienova.com/g/wjdr

碼來做藝術(shù)？

本文授權(quán)轉(zhuǎn)載于：AppSo

ID：AppSo

作者 ： 冷思真

編輯：亦夕

藝術(shù)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(shù)人來說也是艱難的。對非專業(yè)人士來說，代碼可能比藝術(shù)品還要復(fù)雜。那么，如果用代碼來搞藝術(shù)創(chuàng)作，這一切會更簡單嗎？

01

不會畫畫的程序員不是好藝術(shù)家

《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(fēng)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(fēng)景畫。

當(dāng)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(shù)無關(guān)，和情感表達(dá)無緣。

此畫的作者本·埃文斯是一個網(wǎng)頁設(shè)計師，是一個前端開發(fā)，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(wǎng)絡(luò)開發(fā)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(chuàng)作者的代碼，并在它的基礎(chǔ)上進行更改。

當(dāng)你復(fù)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(lán)色、綠色。

在 CSS 作圖這個領(lǐng)域，數(shù)字藝術(shù)家戴安娜·史密斯則是一個不可忽略的先驅(qū)人物，他以 CSS 的巴洛克風(fēng)格作畫而聞名，創(chuàng)作過多幅 18 世紀(jì)復(fù)古風(fēng)格的作品，也畫過現(xiàn)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(chuàng)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(guī)則。

這只是我喜歡 CSS 的眾多原因之一。

有限的規(guī)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(dāng)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(shù)靈感，在限制之中創(chuàng)作新的藝術(shù)作品。

因為一些關(guān)于這些限制的東西一直在召喚著我。當(dāng)我在說嚴(yán)格的限制是激發(fā)創(chuàng)造力的最佳催化劑時，我并不孤單。因為完全的藝術(shù)創(chuàng)作自由可能是一個令人麻痹的概念。

02

CSS 藝術(shù)，讓每個瀏覽器都有自己的風(fēng)格

值得一提的是，有限制的 CSS 圖畫不是一個完全靜態(tài)的藝術(shù)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(fēng)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(chuàng)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(xiàn)不同的作品。作為實時呈現(xiàn)的圖畫，每個瀏覽器在加載頁面時都會將圖畫的代碼呈現(xiàn)為繪圖。

而大多數(shù)的數(shù)字藝術(shù)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(xiàn)圖片本身預(yù)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(zhuǎn)換工作的差別。

創(chuàng)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(shù)性原因，我并不關(guān)心跨瀏覽器的兼容性，所以實時預(yù)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(dāng)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(fā)絲的轉(zhuǎn)換上非常細(xì)致，展現(xiàn)了本身的細(xì)節(jié)，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。

左為 Chrome 瀏覽器呈現(xiàn)效果，右為 Safari 瀏覽器呈現(xiàn)效果

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(xiàn)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(fēng)格。

脖子分成了三個部分，眉毛、頭發(fā)、眼睫毛的位置都出現(xiàn)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(wǎng)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(fēng)格獨樹一幟。

作為該領(lǐng)域的先驅(qū)人物，史密斯給這些圖畫的表現(xiàn)賦予了更多的意義：

當(dāng)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(lián)網(wǎng)的歷史，以及當(dāng)時用戶對瀏覽器的要求。

03

CSS 畫出來的畫算藝術(shù)嗎？更像行為藝術(shù)

代碼是冰冷的、理性的代表，它是沒有感情的。而畫作的藝術(shù)則能表達(dá)作者豐沛的情感和思想。但當(dāng)理性的代碼用來創(chuàng)作感性的畫作時，這一切會改變嗎？

在一部分人看來，數(shù)字藝術(shù)是不能算作真正的藝術(shù)的。

當(dāng)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(rèn)為這不再是藝術(shù)了。雖然數(shù)字化工具做的畫也可以很漂亮，很有創(chuàng)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(fēng)格，但創(chuàng)造出的作品也稱不上藝術(shù)。

這個問題甚至可以上升到「代碼是不是藝術(shù)」的問題上，深入討論一下藝術(shù)的定義和內(nèi)涵。

在主流觀念中來，那些使用新工具去創(chuàng)作藝術(shù)作品的人不算正統(tǒng)藝術(shù)家。即便要稱為藝術(shù)家，也得在前面加上「數(shù)字」兩個字。在大眾的、觀念中，數(shù)字藝術(shù)家和傳統(tǒng)的藝術(shù)家涇渭分明，完全不同。即便這兩種藝術(shù)家在顯示生活中已經(jīng)有了很多工作的交織、身份的重合。

對當(dāng)下的數(shù)字時代而言，隨著互聯(lián)網(wǎng)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(shù)字藝術(shù)家，在創(chuàng)作的過程中，都需要數(shù)字工具的幫助。

而純粹用數(shù)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(shù)作品。即使我們不把它看作一個藝術(shù)杰作，它也是一個互聯(lián)網(wǎng)的行為藝術(shù)作品。

它讓我們意識到自己生活在一個現(xiàn)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(shè)備版本決定的，是和你選擇的數(shù)字工具有關(guān)的。當(dāng)我們看到的東西不一樣的時候，我們創(chuàng)作的東西也是不一樣的。

CSS 作畫與其說是藝術(shù)，不如說它讓我們看到了互聯(lián)網(wǎng)的一種能力，一次進程，一段歷史。

本文作者 冷思真，首發(fā)于公眾號「AppSo」（ID：AppSo），這是一個讓你手機更好用的專業(yè)媒體，歡迎識別下方二維碼進行關(guān)注