• three.js学习笔记(十六)——汹涌的海洋


    介绍

    现在我们知道了如何使用着色器并绘制一些图案,那么这次就要用它来创建一个汹涌的海洋。
    我们将使用调试面板来设置波浪的动画并保持对各项参数的控制。

    初始场景

    现在,我们只有一个使用MeshBasicMaterial的平面,该几何体具有128x128的细分。我们将为顶点设置动画以获得波浪效果,为此我们需要非常多顶点。128x128可能不够多,但如果需要,我们将增加该值。
    在这里插入图片描述

    基础

    现在将材质替换为着色器材质ShaderMaterial

    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial()
    
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    在这里插入图片描述
    虽然Webpack已经配置好支持glsl文件,但还是要去创建它们。
    /src/shaders/water/vertex.glsl路径下创建顶点着色器:

    void main()
    {
        vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
        vec4 viewPosition = viewMatrix * modelPosition;
        vec4 projectedPosition = projectionMatrix * viewPosition;
        gl_Position = projectedPosition;
    }
    
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    片元着色器同理/src/shaders/water/fragment.glsl

    void main()
    {
        gl_FragColor = vec4(0.5, 0.8, 1.0, 1.0);
    }
    
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    导入并在着色器材质中使用它们:

    // ...
    
    import waterVertexShader from './shaders/water/vertex.glsl'
    import waterFragmentShader from './shaders/water/fragment.glsl'
    
    // ...
    
    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        vertexShader: waterVertexShader,
        fragmentShader: waterFragmentShader
    })
    
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    然后你会获得一个蓝色平面:
    在这里插入图片描述

    波浪

    我们将从一个巨浪开始,有什么能比正弦波更能产生波浪呢?

    在顶点着色器中,我们要基于经过sin(...)处理后的modelPositionx值来移动modelPositiony值:

    vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
    modelPosition.y += sin(modelPosition.x);
    
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    在这里插入图片描述
    可以看到位移和波频率太高了,我们将使用uniform统一变量来获得对该值更好的控制。

    下面将从波浪的高度开始。

    波高

    给着色器材质添加一个uBigWavesElevation的统一变量:

    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        vertexShader: waterVertexShader,
        fragmentShader: waterFragmentShader,
        uniforms:
        {
            uBigWavesElevation: { value: 0.2 }
        }
    })
    
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    在顶点着色器中使用:

    uniform float uBigWavesElevation;
    
    void main()
    {
        // ...
        modelPosition.y += sin(modelPosition.x) * uBigWavesElevation;
    
        // ...
    }
    
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    可以看到平面波浪高缓和许多:
    在这里插入图片描述
    我们应该使用一个elevation的变量而不是直接去更新y属性,在后面为波浪着色的时候将派上用场:

    uniform float uBigWavesElevation;
    
    void main()
    {
        vec4 modelPosition = modelMatrix * vec4(position, 1.0);
    
        // 波浪高度
        float elevation = sin(modelPosition.x) * uBigWavesElevation;
        modelPosition.y += elevation;
    
        // ...
    }
    
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    因为现在的海拔是在JavaScript中处理的,所以可以将之添加到Dat.GUI中:

    gui.add(waterMaterial.uniforms.uBigWavesElevation, 'value')
    	.min(0)
    	.max(1)
    	.step(0.001)
    	.name('uBigWavesElevation')
    
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    在这里插入图片描述

    波频

    下面处理波浪发生频率,目前波浪高度只在x轴上进行改变,如果是一起控制z轴和x轴效果会更好。

    给着色器材质添加一个值为Vector2uBigWavesFrequency的统一变量:

    // Material
    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({ 
        vertexShader: waterVertexShader,
        fragmentShader: waterFragmentShader,
        uniforms: {
            uBigWavesElevation:{value:0.2},
            uBigWavesFrequency: { value: new THREE.Vector2(4, 1.5) } ,
        }
    })
    
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    回到顶点着色器中,检索uBigWavesFrequency,注意这是个vec2类型,然后在sin(...)中使用并且只使用到它的x属性值:

    // ...
    uniform vec2 uBigWavesFrequency;
    
    void main()
    {
        // ...
    
        float elevation = sin(modelPosition.x * uBigWavesFrequency.x) * uBigWavesElevation;
    
        // ...
    }
    
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    可以看到更像波浪,因为频率更高
    在这里插入图片描述
    接下来使用uBigWavesFrequencyy值在z轴上控制波浪。
    我们可以乘以另一个sin(...)值:

    float elevation = sin(modelPosition.x * uBigWavesFrequency.x) * sin(modelPosition.z * uBigWavesFrequency.y) * uBigWavesElevation;
    
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    可以看到波浪在z轴方向上也进行了移动
    在这里插入图片描述
    将波频的xy值都添加到调试面板中:

    gui.add(waterMaterial.uniforms.uBigWavesFrequency.value, 'x')
        .min(0)
        .max(10)
        .step(0.001)
        .name('uBigWavesFrequencyX')
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uBigWavesFrequency.value, 'y')
        .min(0)
        .max(10)
        .step(0.001)
        .name('uBigWavesFrequencyY')
    
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    在这里插入图片描述

    动画

    给着色器材质添加一个uTime的统一变量:

    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        // ...
        uniforms:
        {
            uTime: { value: 0 },
            // ...
        } 
    })
    
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    tick()函数中更新该值:

    const clock = new THREE.Clock()
    
    const tick = () =>
    {
        const elapsedTime = clock.getElapsedTime()
    
        // Water
        waterMaterial.uniforms.uTime.value = elapsedTime
    
        // ...
    }
    
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    回到顶点着色器中检索并在sin()中使用uTime

    uniform float uTime;
    // ...
    
    void main()
    {
        // ...
    
        float elevation = sin(modelPosition.x * uBigWavesFrequency.x + uTime) * sin(modelPosition.z * uBigWavesFrequency.y + uTime) * uBigWavesElevation;
    
        // ...
    }
    
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    在这里插入图片描述
    波浪是有动画了,但是速度不够“汹涌”。
    创建一个uBigWavesSpeed的统一变量并与uTime相乘:

    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        // ...
        uniforms:
        {
            // ...
            uBigWavesSpeed: { value: 0.75 } 
        } 
    })
    
    // ...
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uBigWavesSpeed, 'value')
    	.min(0)
    	.max(4)
    	.step(0.001)
    	.name('uBigWavesSpeed')
    
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    // ...
    uniform float uBigWavesSpeed;
    
    void main()
    {
        // ...
    
        float elevation = sin(modelPosition.x * uBigWavesFrequency.x + uTime * uBigWavesSpeed) *
                      	  sin(modelPosition.z * uBigWavesFrequency.y + uTime * uBigWavesSpeed) *
                      	  uBigWavesElevation;
    
        // ...
    }
    
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    在这里插入图片描述

    这里只是简单使用浮点型,如果要控制所有轴方向上的速度,可以使用vec2

    颜色

    虽然波浪效果已经有了,但是平面颜色需要做出改变。
    我们要生成俩种颜色,一个用于深度,一个用于曲面。

    要将颜色添加到调试面板有点复杂。

    首先,我们要在调试面板实例化后立即创建一个debugObject对象:

    const gui = new dat.GUI({ width: 340 })
    const debugObject = {}
    
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    然后,在waterMaterial实例化前,我们可以创建这两种颜色作为debugObject的属性,并在俩个新的统一变量uDepthColoruSurfaceColor中使用它们,这些颜色将使用color类:

    // Colors
    debugObject.depthColor = '#0000ff'
    debugObject.surfaceColor = '#8888ff'
    
    // Material
    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        vertexShader: waterVertexShader,
        fragmentShader: waterFragmentShader,
        uniforms:
        {
            // ...
            uDepthColor: { value: new THREE.Color(debugObject.depthColor) },
            uSurfaceColor: { value: new THREE.Color(debugObject.surfaceColor) }
        } 
    })
    
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    通过addColor()将之添加到调试面板,并当颜色改变时通过onChange()来更新waterMaterialuniform

    gui.addColor(debugObject, 'depthColor')
        .onChange(() => { waterMaterial.uniforms.uDepthColor.value.set(debugObject.depthColor) })
    gui.addColor(debugObject, 'surfaceColor')
        .onChange(() => { waterMaterial.uniforms.uSurfaceColor.value.set(debugObject.surfaceColor) })
    
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    回到片元着色器检索这俩个颜色并使用验证:

    uniform vec3 uDepthColor;
    uniform vec3 uSurfaceColor;
    
    void main()
    {
        gl_FragColor = vec4(uDepthColor, 1.0);
    }
    
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    在这里插入图片描述
    现在要做的是,当波浪较低则使用更多uDepthColor,波浪较高则使用更多uSurfaceColor
    为此我们将使用前面学的mix()函数,前俩个参数即为这俩种颜色,第三个参数将为波浪高度值,根据波浪高度来百分比混合颜色。

    因此我们要使用到elevation,但是它位于顶点着色器中,为此要使用varying将其传输给片元着色器。

    在顶点着色器中创建vElevation,并在main函数中赋值:

    // ...
    
    varying float vElevation;
    
    void main()
    {
        // ...
    
        // Varyings
        vElevation = elevation;
    }
    
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    回到片元着色器,接收varying,创建一个根据高度vElevation混合mix()深度颜色和表面颜色的vec3类型变量color

    uniform vec3 uDepthColor;
    uniform vec3 uSurfaceColor;
    
    varying float vElevation;
    
    void main()
    {
        vec3 color = mix(uDepthColor, uSurfaceColor, vElevation);
        gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
    }
    
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    这下你会看到颜色发生了细微的变化,但问题在于根据我们顶点着色器中的代码来看,vElevation的值范围只在-0.20.2之间。我们需要找到一个方法来控制并调整这个vElevation的值,只限于在片元着色器中。
    为此,我们要再创建俩个uniform,分别是uColorOffsetuColorMultiplier,并将其添加到调试面板中:

    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        vertexShader: waterVertexShader,
        fragmentShader: waterFragmentShader,
        uniforms:
        {
            // ...
            uColorOffset: { value: 0.25 },
            uColorMultiplier: { value: 2 },
        } 
    })
    
    // ...
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uColorOffset, 'value')
    	.min(0)
    	.max(1)
    	.step(0.001)
    	.name('uColorOffset')
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uColorMultiplier, 'value')
    	.min(0)
    	.max(10)
    	.step(0.001)
    	.name('uColorMultiplier')
    
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    回到片元着色器中检索这俩个uniform,创建一个变量mixStrength用来存储vElevation与那俩个unifrom运算后的处理结果:

    uniform vec3 uDepthColor;
    uniform vec3 uSurfaceColor;
    uniform float uColorOffset;
    uniform float uColorMultiplier;
    
    varying float vElevation;
    
    void main()
    {
        float mixStrength = (vElevation + uColorOffset) * uColorMultiplier;
        vec3 color = mix(uDepthColor, uSurfaceColor, mixStrength);
    
        gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
    }
    
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    之后可以慢慢调整直到获得你想要的颜色
    在这里插入图片描述

    小波纹

    对于小型波纹,我们将使用柏林噪声。
    同上次课,去该网址复制柏林噪声Classic Perlin 3D Noise by Stefan Gustavson到顶点着色器中,位于main函数上方:
    https://gist.github.com/patriciogonzalezvivo/670c22f3966e662d2f83

    // Classic Perlin 3D Noise 
    // by Stefan Gustavson
    //
    vec4 permute(vec4 x)
    {
        return mod(((x*34.0)+1.0)*x, 289.0);
    }
    vec4 taylorInvSqrt(vec4 r)
    {
        return 1.79284291400159 - 0.85373472095314 * r;
    }
    vec3 fade(vec3 t)
    {
        return t*t*t*(t*(t*6.0-15.0)+10.0);
    }
    
    float cnoise(vec3 P)
    {
        vec3 Pi0 = floor(P); // Integer part for indexing
        vec3 Pi1 = Pi0 + vec3(1.0); // Integer part + 1
        Pi0 = mod(Pi0, 289.0);
        Pi1 = mod(Pi1, 289.0);
        vec3 Pf0 = fract(P); // Fractional part for interpolation
        vec3 Pf1 = Pf0 - vec3(1.0); // Fractional part - 1.0
        vec4 ix = vec4(Pi0.x, Pi1.x, Pi0.x, Pi1.x);
        vec4 iy = vec4(Pi0.yy, Pi1.yy);
        vec4 iz0 = Pi0.zzzz;
        vec4 iz1 = Pi1.zzzz;
    
        vec4 ixy = permute(permute(ix) + iy);
        vec4 ixy0 = permute(ixy + iz0);
        vec4 ixy1 = permute(ixy + iz1);
    
        vec4 gx0 = ixy0 / 7.0;
        vec4 gy0 = fract(floor(gx0) / 7.0) - 0.5;
        gx0 = fract(gx0);
        vec4 gz0 = vec4(0.5) - abs(gx0) - abs(gy0);
        vec4 sz0 = step(gz0, vec4(0.0));
        gx0 -= sz0 * (step(0.0, gx0) - 0.5);
        gy0 -= sz0 * (step(0.0, gy0) - 0.5);
    
        vec4 gx1 = ixy1 / 7.0;
        vec4 gy1 = fract(floor(gx1) / 7.0) - 0.5;
        gx1 = fract(gx1);
        vec4 gz1 = vec4(0.5) - abs(gx1) - abs(gy1);
        vec4 sz1 = step(gz1, vec4(0.0));
        gx1 -= sz1 * (step(0.0, gx1) - 0.5);
        gy1 -= sz1 * (step(0.0, gy1) - 0.5);
    
        vec3 g000 = vec3(gx0.x,gy0.x,gz0.x);
        vec3 g100 = vec3(gx0.y,gy0.y,gz0.y);
        vec3 g010 = vec3(gx0.z,gy0.z,gz0.z);
        vec3 g110 = vec3(gx0.w,gy0.w,gz0.w);
        vec3 g001 = vec3(gx1.x,gy1.x,gz1.x);
        vec3 g101 = vec3(gx1.y,gy1.y,gz1.y);
        vec3 g011 = vec3(gx1.z,gy1.z,gz1.z);
        vec3 g111 = vec3(gx1.w,gy1.w,gz1.w);
    
        vec4 norm0 = taylorInvSqrt(vec4(dot(g000, g000), dot(g010, g010), dot(g100, g100), dot(g110, g110)));
        g000 *= norm0.x;
        g010 *= norm0.y;
        g100 *= norm0.z;
        g110 *= norm0.w;
        vec4 norm1 = taylorInvSqrt(vec4(dot(g001, g001), dot(g011, g011), dot(g101, g101), dot(g111, g111)));
        g001 *= norm1.x;
        g011 *= norm1.y;
        g101 *= norm1.z;
        g111 *= norm1.w;
    
        float n000 = dot(g000, Pf0);
        float n100 = dot(g100, vec3(Pf1.x, Pf0.yz));
        float n010 = dot(g010, vec3(Pf0.x, Pf1.y, Pf0.z));
        float n110 = dot(g110, vec3(Pf1.xy, Pf0.z));
        float n001 = dot(g001, vec3(Pf0.xy, Pf1.z));
        float n101 = dot(g101, vec3(Pf1.x, Pf0.y, Pf1.z));
        float n011 = dot(g011, vec3(Pf0.x, Pf1.yz));
        float n111 = dot(g111, Pf1);
    
        vec3 fade_xyz = fade(Pf0);
        vec4 n_z = mix(vec4(n000, n100, n010, n110), vec4(n001, n101, n011, n111), fade_xyz.z);
        vec2 n_yz = mix(n_z.xy, n_z.zw, fade_xyz.y);
        float n_xyz = mix(n_yz.x, n_yz.y, fade_xyz.x); 
        return 2.2 * n_xyz;
    }
    
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    然后回到main函数中,使用cnoise()函数并传入一个vec3作为参数,然后给波浪高度添加该函数返回值:

    elevation += cnoise(vec3(modelPosition.xz, uTime));
    
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    其中vec3的三个值分别为:

    • x:modelPositionx
    • y:modelPositionz
    • z:uTime,该值将使噪波以自然和现实的方式进行变化。

    在这里插入图片描述
    结果并非预期所想,速度过快了,因此给uTime乘以0.2

    elevation += cnoise(vec3(modelPosition.xz, uTime * 0.2));
    
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    在这里插入图片描述
    其次,波浪频率过低,看起来就像前面的大波浪一样,因而要增加波浪起伏频率,将modelPosition.xz乘以3

    elevation += cnoise(vec3(modelPosition.xz * 3.0, uTime * 0.2));
    
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    在这里插入图片描述
    再者,波浪过高,将整个噪声乘以0.15:

    elevation += cnoise(vec3(modelPosition.xz * 3.0, uTime * 0.2)) * 0.15;
    
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    在这里插入图片描述
    现实的波纹没有这么平稳,应该有许多圆形波谷与高波峰,为此我们可以用abs()

    elevation += abs(cnoise(vec3(modelPosition.xz * 3.0, uTime * 0.2)) * 0.15);
    
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    在这里插入图片描述
    可以观察到上图与实际效果相反,因此把+改为-,获得相反效果:

    elevation -= abs(cnoise(vec3(modelPosition.xz * 3.0, uTime * 0.2)) * 0.15);
    
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    在这里插入图片描述
    观察上图可以看到更好的效果,但是但我们观察大海中更汹涌的洋流时,它们更加混乱,频率各不同并且毫无规律可循。
    我们需要在更高的频率上应用更多噪声,用for循环最好不过了:

    for(float i = 1.0; i <= 3.0; i++)
    {
        elevation -= abs(cnoise(vec3(modelPosition.xz * 3.0, uTime * 0.2)) * 0.15);
    }
    
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    现在,我们正在应用3次相同的公式,这应该会产生相同的波,但它们的振幅要显著得多:
    在这里插入图片描述
    下面我们根据i变量增加频率并减小振幅:

    for(float i = 1.0; i <= 3.0; i++)
    {
        elevation -= abs(cnoise(vec3(modelPosition.xz * 3.0 * i, uTime * 0.2)) * 0.15 / i);
    }
    
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    在这里插入图片描述
    很好,前面我们的几何体细分曲面是128x128,现在增加到512x512后观察下图,海浪微小细节更加明显:

    const waterGeometry = new THREE.PlaneBufferGeometry(2, 2, 512, 512)
    
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    在这里插入图片描述
    设置完后意味着现在有许多三角形,但平面依旧是场景中唯一的几何体,我们正在为着色器中的几乎所有内容设置动画,这意味着GPU正在进行艰难工作。

    下面为着色器增加更多统一变量,来控制小波纹:

    const waterMaterial = new THREE.ShaderMaterial({
        vertexShader: waterVertexShader,
        fragmentShader: waterFragmentShader,
        uniforms:
        {
            // ...
    
            uSmallWavesElevation: { value: 0.15 },
            uSmallWavesFrequency: { value: 3 },
            uSmallWavesSpeed: { value: 0.2 },
            uSmallIterations: { value: 4 },
    
            // ...
        }
    })
    
    // ...
    
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uSmallWavesElevation, 'value').min(0).max(1).step(0.001).name('uSmallWavesElevation')
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uSmallWavesFrequency, 'value').min(0).max(30).step(0.001).name('uSmallWavesFrequency')
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uSmallWavesSpeed, 'value').min(0).max(4).step(0.001).name('uSmallWavesSpeed')
    gui.add(waterMaterial.uniforms.uSmallIterations, 'value').min(0).max(5).step(1).name('uSmallIterations')
    
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    顶点着色器中:

    uniform float uSmallWavesElevation;
    uniform float uSmallWavesFrequency;
    uniform float uSmallWavesSpeed;
    uniform float uSmallIterations;
    
    // ...
    
    void main()
    {
        // ...
    
        for(float i = 1.0; i <= uSmallIterations; i++)
        {
            elevation -= abs(cnoise(vec3(modelPosition.xz * uSmallWavesFrequency * i, uTime * uSmallWavesSpeed)) * uSmallWavesElevation / i);
        }
    
        // ...
    }
    
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    在这里插入图片描述

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