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解释《Android Studio 应用开发实战详解》–王翠萍 P196 模拟水波实现效果

水波的模拟

1. 水波特性

  1. 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。
  2. 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。
  3. 水的折射：因为水波上不同地点的倾斜角度不同，所以，因为水的折射，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。
  4. 反射：**水波遇到障碍物会反射。
  5. 衍射：忽然又想到这一点，但是在程序里却看不到，如果能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。

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，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=水池图象的象素宽度、PoolHeight=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，所以以后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。

2. 推导计算波幅的公式

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a0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）+bX0 (公式1)
a、b为待定系数，X0'为0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。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

将每一个点都象公式1那样计算，然后代入上式，得到：

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（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： 

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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：

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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。

3. 对波幅数据进行衰减处理

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。

4. 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，我们只需要做线形的近似处理就行了。

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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象，用另外一个页面来进行渲染。先用Lock函数锁定两个页面，取得指向页面内存区的指针，然后用根据偏移量将原始图象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：

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//根据波能数据缓冲区对离屏页面进行渲染 
void RenderRipple() {
	//锁定两个离屏页面
	DDSURFACEDESC ddsd1, ddsd2;
	ddsd1.dwSize = sizeof (DDSURFACEDESC);
	ddsd2.dwSize = sizeof(DDSURFACEDESC);
    lpDDSPic1->Lock(NULL, &ddsd1, DDLOCK_WAIT, NULL); 
    lpDDSPic2->Lock(NULL, &ddsd2, DDLOCK_WAIT, NULL);

	//取得页面象素位深度，和页面内存指针
	int depth=ddsd1.ddpfPixelFormat.dwRGBBitCount/8;
	BYTE *Bitmap1 = (BYTE*)ddsd1.lpSurface;
	BYTE *Bitmap2 = (BYTE*)ddsd2.lpSurface;
    
	//下面进行页面渲染     
	int xoff, yoff;
	int k = BACKWIDTH;
	for (int i=1; i<BACKHEIGHT-1; i++)
	{
		for (int j=0; j<BACKWIDTH; j++)
		{             
			//计算偏移量             
			xoff = buf1[k-1]-buf1[k+1];             
			yoff = buf1[k-BACKWIDTH]-buf1[k+BACKWIDTH];

			//判断坐标是否在窗口范围内
			if ((i+yoff )< 0 ) 
			{
            	k++;
                continue;
            }
			if ((i+yoff )> BACKHEIGHT)
			{
            	k++;
                continue;
            }   
			if ((j+xoff )< 0 ) 
			{
            	k++;
                continue;
            }  
			if ((j+xoff )> BACKWIDTH ) 
			{
            	k++;
                continue;
            }

            //计算出偏移象素和原始象素的内存地址偏移量  
            int pos1, pos2;            
            pos1=ddsd1.lPitch*(i+yoff)+ depth*(j+xoff); 
            pos2=ddsd2.lPitch*i+ depth*j;

            //复制象素
            Bitmap2[pos2++]=Bitmap1[pos1++];    
            k++;         
        }     
	}    
	//解锁页面    
	lpDDSPic1->Unlock(&ddsd1); 
	lpDDSPic2->Unlock(&ddsd2); 
}

5. 增加波源

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）

http://dev.gameres.com/Program/Visual/Effects/pRipple.htm