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iOS特效之你家玻璃碎了

iOS开发2018-11-08 11:41:23

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我是照骗



前言



最近逛博客看到了一篇帖子,里面介绍了自己如何设计一套星球大战主题的UI,里面有一个界面破碎的特效,看着很炫酷,那篇文章的作者使用了UIDynamics,UIKit,OpenGL分别实现了效果。于是我就寻思如何使用Metal实现这样的效果。这是那篇博客的链接。下面是Metal版本的效果预览,目前还没有和界面集成,只是在一张静态图上做的破碎效果。我增加了一些边界碰撞反弹,纯属娱乐。




代码



本文的代码在BrokenGlassEffectView文件中,它继承于MetalBaseView,MetalBaseView提供了使用Metal所需要的基础方法,BrokenGlassEffectView只需要在update和draw方法中实现逻辑刷新和绘制即可。



原理



要做这样的特效,主要分两步,切割图片,运动模拟。首先将图片切割成小方块,然后使用重力模型让小方块落下来。第一步切割可以使用两种方式:


  1. 给每个小方块创建一个四边形,并配置好UV,显示图片对应的部分。假设有n个小方块,如果使用三角形绘制,就需要6 * n个顶点。每个顶点有5个float,代表位置和uv。

  2. 每个小方块使用一个顶点绘制,绘制时使用point绘制模式,将point_size设置成小方块大小,这样只需要n个顶点。本文采用的就是这种方式,这种方式唯一的缺点是小方块只能是正方形。


第二步就很简单了,只需要使用加速度即可。


顶点生成



我们计算出需要切割成几行几列,然后生成顶点数组。


private func buildPointData() -> [Float] {

    var vertexDataArray: [Float] = []

    let pointSize: Float = 12

    let viewWidth: Float = Float(UIScreen.main.bounds.width)

    let viewHeight: Float = Float(UIScreen.main.bounds.height)

    let rowCount = Int(viewHeight / pointSize) + 1

    let colCount = Int(viewWidth / pointSize) + 1

    let sizeXInMetalTexcoord: Float = pointSize / viewWidth * 2.0

    let sizeYInMetalTexcoord: Float = pointSize / viewHeight * 2.0

    pointTransforms = [matrix_float4x4].init()

    pointMoveInfo = [PointMoveInfo].init()

    for row in 0..<rowCount {

        for col in 0..<colCount {

            let centerX = Float(col) * sizeXInMetalTexcoord + sizeXInMetalTexcoord / 2.0 - 1.0

            let centerY = Float(row) * sizeYInMetalTexcoord + sizeYInMetalTexcoord / 2.0 - 1.0

            vertexDataArray.append(centerX)

            vertexDataArray.append(centerY)

            vertexDataArray.append(0.0)

            vertexDataArray.append(Float(col) / Float(colCount))

            vertexDataArray.append(Float(row) / Float(rowCount))

            

            pointTransforms.append(GLKMatrix4Identity.toFloat4x4())

            pointMoveInfo.append(PointMoveInfo.defaultMoveInfo(centerX: centerX, centerY: centerY))

        }

    }

    

    uniforms.pointTexcoordScaleX = sizeXInMetalTexcoord / 2.0

    uniforms.pointTexcoordScaleY = sizeYInMetalTexcoord / 2.0

    uniforms.pointSizeInPixel = pointSize

    return vertexDataArray

}


这里有一点要注意,Metal里的坐标系是x轴从-1(左)到1(右),y轴从1(上)到-1(下)。所以我生成顶点坐标时都把坐标规范到了-1到1这个范围。 这里除了生成顶点,还计算了点纹理坐标需要的缩放量pointTexcoordScaleX,pointTexcoordScaleY,并且把点的像素大小传递给Uniforms。这个Uniforms会在后面传递给Shader。关于点纹理坐标需要的缩放量我会在后面介绍它的作用。pointTransforms和pointMoveInfo保存了每个点的运动信息,这里对他们进行了初始化。


然后我们在setupRenderAssets中初始化顶点Buffer。


// 构建顶点

self.vertexArray = buildPointData()

let vertexBufferSize = MemoryLayout<Float>.size * self.vertexArray.count

self.vertexBuffer = device.makeBuffer(bytes: self.vertexArray, length: vertexBufferSize, options: MTLResourceOptions.cpuCacheModeWriteCombined)


更新运动信息


下面我们在update方法中更新运动信息。每个点都有以下运动信息。x,y轴的速度,x,y轴的加速度,点最初的中心位置originCenterX,originCenterY,点的位移translateX,translateY。


struct PointMoveInfo {

    var xSpeed: Float

    var ySpeed: Float

    var xAccelerate: Float

    var yAccelerate: Float

    var originCenterX: Float

    var originCenterY: Float

    var translateX: Float

    var translateY: Float

  

    ...

}


我们使用这些信息就可以对点进行运动模拟。首先我们处理y轴上的速度,每次update,速度会随着加速度改变,如果超过了最大速度,那么就等于最大速度,因为我这里的速度是负的,所以用的是小于。所以准确来说应该是速度的绝对值超过了最大速度的绝对值。


pointMoveInfo[i].ySpeed += Float(deltaTime) * pointMoveInfo[i].yAccelerate

if pointMoveInfo[i].ySpeed < maxYSpeed {

    pointMoveInfo[i].ySpeed = maxYSpeed

}


然后是位移。并且用位移数据生成Shader使用的矩阵。


pointMoveInfo[i].translateX += Float(deltaTime) * pointMoveInfo[i].xSpeed

pointMoveInfo[i].translateY += Float(deltaTime) * pointMoveInfo[i].ySpeed

let newMatrix = GLKMatrix4MakeTranslation(pointMoveInfo[i].translateX, pointMoveInfo[i].translateY, 0)

pointTransforms[i] = newMatrix.toFloat4x4()


最后我做了边界检测,遇到边界则反弹并且有衰减。


let realY = pointMoveInfo[i].translateY + pointMoveInfo[i].originCenterY

let realX = pointMoveInfo[i].translateX + pointMoveInfo[i].originCenterX

if realY <= -1.0 {

    pointMoveInfo[i].ySpeed = -pointMoveInfo[i].ySpeed * 0.6

    if fabs(pointMoveInfo[i].ySpeed) < 0.01 {

        pointMoveInfo[i].ySpeed = 0

    }

}

if realX <= -1.0 || realX >= 1.0 {

    pointMoveInfo[i].xSpeed = -pointMoveInfo[i].xSpeed * 0.6

    if fabs(pointMoveInfo[i].xSpeed) < 0.01 {

        pointMoveInfo[i].xSpeed = 0

    }

}



渲染



顶点和运动信息万事具备,可以渲染了。我们把顶点Buffer,纹理,Uniforms,运动信息pointTransforms都传递给Shader,接下来就轮到Shader表演了。


override func draw(renderEncoder: MTLRenderCommandEncoder) {

    renderEncoder.setVertexBuffer(self.vertexBuffer, offset: 0, index: 0)

    renderEncoder.setFragmentTexture(self.imageTexture, index: 0)

    

    let uniformBuffer = device.makeBuffer(bytes: self.uniforms.data(), length: Uniforms.sizeInBytes(), options:

MTLResourceOptions.cpuCacheModeWriteCombined)

    renderEncoder.setVertexBuffer(uniformBuffer, offset: 0, index: 1)

    renderEncoder.setFragmentBuffer(uniformBuffer, offset: 0, index: 0)

    

    let transformsBufferSize = MemoryLayout<matrix_float4x4>.size * pointTransforms.count

    let transformsBuffer = device.makeBuffer(bytes: pointTransforms, length: transformsBufferSize, options:

MTLResourceOptions.cpuCacheModeWriteCombined)

    renderEncoder.setVertexBuffer(transformsBuffer, offset: 0, index: 2)

    

    renderEncoder.drawPrimitives(type: .point, vertexStart: 0, vertexCount: self.vertexArray.count / 5)

}



Shader



我们先来看看Shader中定义的结构体。输入的顶点VertexIn中包含位置和点所在位置的信息,点所在位置已经被规范化到0到1的区间了。输出到Fragment Shader的VertexOut结构包含处理后的位置,点所在位置的信息和点的像素尺寸。Uniforms里包含点纹理坐标的缩放量以及点的像素大小。


struct VertexIn

{

    packed_float3  position;

    packed_float2  pointPosition;

};


struct VertexOut

{

    float4  position [[position]];

    float2  pointPosition;

    float pointSize [[ point_size ]];

};


struct Uniforms

{

    packed_float2 pointTexcoordScale;

    float pointSizeInPixel;

};


接下来我们看看Vertex Shader。主要做了三件事情。


  1. 将输入的位置信息使用运动信息transform进行变换。

  2. 把点规范化后的位置信息原封不动的传给Fargment Shader。

  3. 把点的像素大小传递给point_size。


vertex VertexOut passThroughVertex(uint vid [[ vertex_id ]],

                                   const device VertexIn* vertexIn [[ buffer(0) ]],

                                   const device Uniforms& uniforms [[ buffer(1) ]],

                                   const device float4x4* transforms [[ buffer(2) ]])

{

    VertexOut outVertex;

    VertexIn inVertex = vertexIn[vid];

    outVertex.position = transforms[vid] * float4(inVertex.position, 1.0);

    outVertex.pointPosition = inVertex.pointPosition;

    outVertex.pointSize = uniforms.pointSizeInPixel;

    return outVertex;

};


最后轮到我们的Fragment Shader登场了。这里的核心就是计算UV,将点纹理坐标pointCoord在y轴上翻转后乘以点纹理缩放量求解出额外的UV偏移。然后以点的位置信息为基础UV,两者相加。最后将相加后的UV在Y轴上翻转就得到可以使用的UV了。从diffuse纹理上采样,然后返回采样到的颜色。


constexpr sampler s(coord::normalized, address::repeat, filter::linear);


fragment float4 passThroughFragment(VertexOut inFrag [[stage_in]],

                                    float2 pointCoord  [[point_coord]],

                                     texture2d<float> diffuse [[ texture(0) ]],

                                    const device Uniforms& uniforms [[ buffer(0) ]])

{

    float2 additionUV = float2((pointCoord[0]) * uniforms.pointTexcoordScale[0], (1.0 - pointCoord[1]) * uniforms.pointTexcoordScale[1]);

    float2 uv = inFrag.pointPosition + additionUV;

    uv = float2(uv[0], 1.0 - uv[1]);

    float4 finalColor = diffuse.sample(s, uv);

    return finalColor;

};


到此,Shader就介绍完了,还是很简单的,代码量并不大。主要流程就是VertexShader处理运动信息,FragmentShader处理图片在点上的着色。



总结



本文使用的方法类似于一个小型的粒子系统,使用点精灵(Point Sprites)技术比较高效的实现了碎片的效果。我们可以在update中使用其他的运动模拟算法实现类似于爆炸,旋涡等效果,如果读者有兴趣,可以自己尝试一下。



  • 作者:handyTOOL

  • 链接:http://www.jianshu.com/p/77fed62d18ce

  • 來源:简书

  • iOS开发整理发布,转载请联系作者授权

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