倒水游戏动态绘画效果深度解析：从像素分析到Shader渲染的完整技术实现
在倒水游戏中，我实现了一种独特的动态绘画效果，让水彩颜料像真实水流一样在画布上扩散、融合。这种效果不仅增强了游戏的艺术表现力，也为玩家带来了全新的视觉体验。本文将深入解析这一效果的技术实现方案，从像素分析到Shader渲染的完整技术栈。
效果演示
Demo发布信息
- Cocos商店-Demo中代码实现: https://store.cocos.com/app/detail/8257
- Cocos商店-游戏中集成: 经典倒水+画图模式+关卡编辑器
核心技术架构
1. 整体设计思路
动态绘画效果的核心思想是将静态图像分解为多个颜色层，然后按照预定顺序和时间间隔逐层渲染，模拟水彩颜料在画布上自然扩散的过程。
// 核心数据结构：颜色列范围数组
// [颜色索引][线段索引][x坐标, 起始y, 结束y, 高度, 延迟时间]
protected colorColumnRangesList: [number, number, number, number, number][][] = [];
2. 核心技术组件：VwDrawingBoard
VwDrawingBoard 组件是整个效果的核心实现，负责管理图像加载、颜色分析、动画控制和渲染输出。
2.1 组件初始化与资源配置
/**
* 重置绘图板状态并加载新图像
* @param imageAsset 待绘制的图像资源
* @param colorHexs 颜色配置数组
*/
public async reset(imageAsset: ImageAsset, colorHexs: string[]) {
this.colorPalette = [];
colorHexs.forEach(colorHex => {
this.colorPalette.push(new Color().fromHEX(colorHex));
});
this.loadImageAsset(imageAsset);
this.initializeDrawingBoardState();
}
2.2 遮罩纹理系统
遮罩纹理是实现动态显示的关键技术，通过控制每个像素的透明度来实现渐进式显示效果：
protected async setupMaskTextureAndLoadImage() {
// 根据图形API选择像素格式
const pixelFormat = this.bytesPerPixel == 1 ?
Texture2D.PixelFormat.A8 : Texture2D.PixelFormat.RGBA8888;
// 创建遮罩纹理
this.maskTextureInstance = new Texture2D();
this.maskTextureInstance.reset({
width: this.imageWidth,
height: this.imageHeight,
format: pixelFormat
});
// 初始化为全透明
this.maskTextureByteData = new Uint8Array(
this.imageWidth * this.imageHeight * this.bytesPerPixel
);
this.maskTextureByteData.fill(0);
// 上传纹理数据到GPU
this.maskTextureInstance.uploadData(this.maskTextureByteData);
this.maskMaterialInstance.setProperty('maskTexture', this.maskTextureInstance);
}
核心算法：像素分析与颜色分层
3.1 颜色相似度计算
使用欧几里得距离算法计算像素颜色与目标颜色的相似度：
protected generateColorColumnRanges(pixelBuffer: Uint8Array) {
for (let x = 0; x < this.imageWidth; x++) {
for (let y = 0; y < this.imageHeight; y++) {
const pixelIndex = (x + y * this.imageWidth) * 4;
let minColorDistance = Number.MAX_SAFE_INTEGER;
let closestColorIndex = -1;
// 寻找与当前像素最接近的颜色
for (let colorIndex = 0; colorIndex < this.colorPalette.length; colorIndex++) {
const deltaR = this.colorPalette[colorIndex].r - pixelBuffer[pixelIndex];
const deltaG = this.colorPalette[colorIndex].g - pixelBuffer[pixelIndex + 1];
const deltaB = this.colorPalette[colorIndex].b - pixelBuffer[pixelIndex + 2];
const colorDistance = Math.sqrt(deltaR * deltaR + deltaG * deltaG + deltaB * deltaB);
if (colorDistance < minColorDistance) {
minColorDistance = colorDistance;
closestColorIndex = colorIndex;
}
}
// 将像素归类到对应的颜色层
// ...
}
}
}
3.2 垂直线段合并算法
为了优化性能，将垂直方向上连续的相同颜色像素合并为线段：
// 在垂直方向上扫描，合并连续的同色像素
for (let y = 0; y < this.imageHeight; y++) {
// 如果颜色变化，结束当前线段并开始新线段
if (!currentRange || (closestColorIndex !== lastMatchedColorIndex)) {
currentRange && finalizeRange(currentRange, lastMatchedColorIndex);
currentRange = [x, y, y, 0, 0];
lastMatchedColorIndex = closestColorIndex;
colorRangesByLayer[closestColorIndex].push(currentRange);
} else {
// 颜色相同，扩展当前线段
currentRange[2] = y;
}
}
动画时序控制系统
4.1 智能时序规划
为了确保动画效果的自然流畅，系统需要智能规划各颜色层的绘制顺序和时间：
protected calculateAnimationTimings() {
// 按线段数量排序，线段多的优先绘制
const sortableColorLayers: any[] = []
for (let i = 0, len = totalColorLayers; i < len; i++) {
const rangeList = this.colorColumnRangesList[i];
sortableColorLayers.push({
ranges: rangeList,
index: i,
len: rangeList.length
});
}
sortableColorLayers.sort((a, b) => b.len - a.len);
// 随机确定绘制方向，增加视觉效果的自然性
this.colorColumnRangesList.forEach((rangeList, layerIndex) => {
if (Math.random() > 0.5) {
this.colorColumnRangesList[layerIndex].reverse();
}
})
// 计算每个线段的出现时间，确保总绘制时间合理
for (let i = 0, len = totalColorLayers; i < len; i++) {
let currentDelay = Math.min(initialDelay, 2) + 1 + i * 1.5;
const rangeList = this.colorColumnRangesList[i];
const totalRanges = rangeList.length;
let totalHeight = 0;
rangeList.forEach((range) => totalHeight += range[3]);
// 动态计算绘制速度，确保单层绘制时间不超过3秒
const drawSpeed = Math.max(totalHeight / 3, this.baseAnimationSpeed);
for (let j = 0; j < totalRanges; j++) {
const range = rangeList[j];
range[4] = currentDelay;
currentDelay += range[3] / drawSpeed;
}
}
}
4.2 实时动画更新
系统通过每帧更新机制实现平滑的动画效果：
protected update(dt: number): void {
// 更新绘制动画
if (this.isDrawingAnimationActive) {
this.updateDrawingAnimation(dt);
}
// 更新透明度渐变
if (this.isAlphaAnimationActive) {
this.updateAlphaFadeAnimation(dt);
}
// 如果纹理有变化，上传到GPU
if (this.hasTextureChanged && this.maskTextureByteData && this.maskTextureInstance) {
this.maskTextureInstance.uploadData(this.maskTextureByteData);
this.maskMaterialInstance.setProperty('maskTexture', this.maskTextureInstance);
}
}
渐进式渲染技术
5.1 平滑渐显效果
为了实现自然的渐显效果，系统采用渐进式渲染策略：
private renderRangeGradually(range: [number, number, number, number, number]) {
let currentY = range[1];
if (currentY < range[2]) {
// 计算本帧应渲染到的y坐标
currentY += range[4];
// 动态加速渐变速度
if (range[4] < this.alphaFadeSpeed) {
range[4]++;
}
// 限制不超过目标y坐标
if (currentY > range[2]) {
currentY = range[2];
}
// 填充像素数据（设置为完全不透明）
for (let y = range[1]; y <= currentY; y++) {
const pixelIndex = (range[0] + y * this.imageWidth) * this.bytesPerPixel;
for (let byteOffset = 0; byteOffset < this.bytesPerPixel; byteOffset++) {
this.maskTextureByteData[pixelIndex + byteOffset] = 255;
}
}
range[1] = currentY;
return true;
}
return false;
}
性能优化策略
6.1 渲染优化
- 垂直方向约束：只在垂直方向合并像素，减少计算复杂度
- 颜色量化：使用有限的颜色调色板，减少颜色匹配计算量
- 缓冲区管理：合理管理纹理缓冲区，减少GPU上传次数
技术亮点总结
- 智能颜色分析：基于欧几里得距离的颜色相似度算法，准确识别图像中的主要颜色区域
- 自然动画时序：动态计算绘制速度和时间间隔，确保动画效果的自然流畅
- 渐进式渲染：平滑的渐显效果模拟真实水彩扩散过程
- 跨平台兼容：支持WebGL、WebGL 2.0和WebGPU等多种图形API
- 性能优化：通过线段合并、延迟渲染等技术确保在移动设备上的流畅运行
应用场景扩展
这种动态绘画效果技术不仅可以应用于倒水游戏，还可以扩展到：
- 教育应用：书法教学、绘画教程中的笔迹演示
- 艺术创作：数字艺术作品的动态展示
- UI动效：应用启动画面、功能引导的渐进式显示
- 广告创意：品牌Logo的动态绘制效果
结语
通过像素分析、颜色分层和渐进式渲染技术的结合，我成功实现了倒水游戏中独特的动态绘画效果。这种技术方案不仅具有很好的视觉效果，还在性能优化方面做了充分考虑，确保了在各种设备上的流畅运行。