The Nature of Code閱讀心得與Python實作：4.9 Image Textures and ...

這一節的標題是
4.9 Image Textures and Additive Blending
因為方格子標題字數限制，所以沒完整顯現

粒子系統可以用來製作視覺特效(visual effect, VFX)，而粒子外觀的呈現方式，以及粒子具有怎樣的紋理(texture)，都會影響特效所展現出來的效果。例如，在下圖中可以很清楚地看到，使用兩種不同的粒子紋理所呈現出來的特效效果，就有很大的不同。

要賦予粒子不同的紋理，可以直接用程式來寫，不過使用繪圖軟體製作成圖片，會比較節省力氣，畢竟現在的繪圖軟體功能強大，使用上又簡單。

在製作紋理圖片時，首選具備透明度功能的PNG格式。以前面那張圖右手邊，看起來有漸層效果紋理的粒子圖片來說，其製作方式，就是在全白的圖片上，以從中央擴散的方式，讓像素的透明度逐漸增加到完全透明為止。這樣子，當把圖片放到黑色背景上時，就會呈現出漸層的效果。如果圖片不支援透明度功能，就沒辦法呈現出這樣的效果。

製作好圖片之後，就可以利用粒子系統來製作模擬煙霧的特效；不過，在開始寫程式之前，得先搞清楚pygame的混色模式(blend mode, blending mode)。

混色模式指的是，當把不同的顏色混在一起，要透過怎樣的計算方式，來決定最後出現的是什麼樣的顏色。在pygame中，混色模式除了BLEND_PREMULTIPLIED、BLEND_ALPHA_SDL2這兩個比較特殊不在此討論的模式之外，可以由命名方式區分為兩大類，而其主要的差異在於混色時，包含或不包含透明度。

不包含透明度的混色模式

BLEND_ADD, BLEND_SUB, BLEND_MULT, BLEND_MIN, BLEND_MAX

BLEND_RGB_ADD, BLEND_RGB_SUB, BLEND_RGB_MULT, BLEND_RGB_MIN, BLEND_RGB_MAX.

這裡要注意的是，中間有或沒有RGB三個字母，其實是一樣的模式。例如，BLEND_ADD和BLEND_RGB_ADD，指的是一樣的模式。

包含透明度的混色模式

BLEND_RGBA_ADD, BLEND_RGBA_SUB, BLEND_RGBA_MULT, BLEND_RGBA_MIN, BLEND_RGBA_MAX

這些模式會利用不同的計算式，來決定混色之後的顏色數值。假設src是來源像素的顏色，而dest是目標像素的顏色，且

0 <= src, dest <= 255

當把src混色到dest而得到顏色c時，各個模式的RGBA值計算式為：

ADD: c = (dest+src) if (dest+src)<=255 else 255
SUB: c = (dest-src) if (dest-src)>=0 else 0
MULT: c = (dest*src+255)//256
MIN: c = min(dest, src)
MAX: c = max(dest, src)

其中MULT模式有兩個比較特別的性質，在接下來的例子中會用到。是怎樣特別的性質呢？從MULT的計算式可以很明顯地看出來，當dest或src有一個是0時，則混色之後的值，就會是0；而當dest或src有一個是255時，則混色之後的值，會是另外那個顏色的值。所以，當我們把一張具備透明度的圖片，以MULT混色模式blit到一張顏色為(255, 255, 255, A)的圖片之後，所得到的圖片，顏色會跟原來的圖片一樣，就只有透明度會改變而已。

在pygame的blit()和fill()方法中，有個special_flags參數，可以用來選擇混色模式。如果不特別指定而使用預設的混色模式，則混色後的顏色，計算方式為：

if destA == 0:
    c = src
    A = srcA
else:
    c = (src*srcA + dest*(255-srcA))//255
    A = srcA + destA*(255-srcA)//255

這裡的srcA、destA分別指的是來源像素和目標像素的alpha值，而A則是混色後所得到的alpha值。不過要注意的是，這兩個式子所算出的值，和用pygame所算出的值，可能會有些小小的差距。造成這個小小差距的原因，在於pygame為了加快計算速度，用了很多技巧來避免浮點數運算，但同時也犧牲了一些計算上的準確度。另外，從計算式可以看出來，當目標像素是完全透明時，混色之後得到的會是來源像素，完全無視目標像素的存在。

下面這個例子，就是利用前面那張圖右手邊，看起來有漸層效果紋理的粒子圖片，以混色的方式，來模擬煙霧被風吹動時的效果。

Example 4.8: An Image-Texture Particle System

粒子的圖片製作完成之後，可以使用pygame的image.load()來載入。假設圖片檔名是fuzzy-circle.png，程式這樣寫：

img = pygame.image.load("fuzzy-circle.png")

如果要讓img的格式是per-pixel alpha，則載入時需使用convert_alpha()，寫成

img = pygame.image.load("fuzzy-circle.png").convert_alpha()

為了避免在處理時破壞了原本的圖片，所以最好是複製一份副本，然後用這份副本來進行後續的處理工作。要複製圖片，程式這樣寫：

particle_image = img.copy()

另外，為了要讓粒子以更像煙霧的樣子噴出，在設定粒子的初始速度時，不再單純使用亂數來設定，而改用高斯分佈，讓大部分粒子的初始速度集中在給定的mean值附近。這部分的程式這樣寫：

vx = random.gauss(0, 0.3)
vy = random.gauss(-1, 0.3)
velocity = pygame.Vector2(vx, vy)

根據上述的方式，並考量圖片變數的傳遞，原本Particle類別的__init__()方法，要改成這樣：

def __init__(self, x, y, mass, particle_image):
    # 取得顯示畫面
    self.screen = pygame.display.get_surface()
    
    # 讓傳遞進來的數值來決定particle的質量
    self.mass = mass  
    
    # 複製圖片並取得圖片尺寸
    self.particle_image = particle_image.copy()
    self.size = particle_image.get_width()
    
    # 粒子半徑
    self.radius = self.size/2
    
    # particle的壽命
    self.lifespan = 100
    
    # 讓傳遞進來的數值來決定particle的起始位置
    self.position = pygame.Vector2(x, y)
    
    # 讓particle的初始速度呈高斯分佈
    vx = random.gauss(0, 0.3)
    vy = random.gauss(-1, 0.3)
    self.velocity = pygame.Vector2(vx, vy)
    
    # particle的初始加速度
    self.acceleration = pygame.Vector2(0, 0)
    
    # 設定particle所在surface的格式為per-pixel alpha
    self.surface = pygame.Surface((self.size, self.size), pygame.SRCALPHA)

在這裡，為了要傳遞圖片變數，所以在__init__()方法中，新增了一個particle_image參數。

除了Particle類別的__init__()方法之外，Emitter類別的add_particle()方法也需增加一個參數，用來傳遞圖片變數：

def add_particle(self, particle_image):
        self.particles.append(Particle(self.origin.x, self.origin.y, self.mass, particle_image))

要讓噴出的粒子看起來就像煙霧一樣，在將畫有粒子的圖片blit到最後要顯示的畫面上之前，要先把圖片以BLEND_RGBA_MULT的混色方式，blit到全白但有些透明的surface上，藉此在不破壞漸層紋理效果的情況下，調整圖片的透明度。所以，Particle類別的show()方法，要改成這樣：

def show(self):
    # 根據particle剩下的壽命長短，以MULT混色模式調整圖片透明度
    self.surface.fill((255, 255, 255, self.lifespan))
    self.surface.blit(self.particle_image, (0, 0), None, pygame.BLEND_RGBA_MULT)
    
    # 把particle所在的surface貼到最後要顯示的畫面上
    center = pygame.Vector2(self.radius, self.radius) 
    self.screen.blit(self.surface, self.position-center)

主程式以及繪製畫面上方風力指示向量的函數程式碼如下：

def draw_vector(screen, start_pt, end_pt, arrow_size=10):
    # 繪製風力指示向量
    
    # 箭頭方向
    direction = 1 if end_pt[0] > start_pt[0] else -1
    
    # 箭身
    pygame.draw.line(screen, (255, 255, 255), start_pt, end_pt, 2)
    
    # 箭頭上半部
    pt_upper = (end_pt[0]-direction*arrow_size, start_y-arrow_size/2)
    pygame.draw.line(screen, (255, 255, 255), end_pt, pt_upper, 2)
    
    # 箭頭下半部
    pt_lower = (pt_upper[0], start_y+arrow_size/2)
    pygame.draw.line(screen, (255, 255, 255), end_pt, pt_lower, 2)


# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0


pygame.init()

pygame.display.set_caption("Example 4.8: An Image-Texture Particle System")

BLACK = (0, 0, 0)

WIDTH, HEIGHT = screen_size = 640, 360
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 60
frame_rate = pygame.time.Clock()

try:
    particle_image = pygame.image.load("fuzzy-circle.png").convert_alpha()
except:
    print("無法載入圖片......")  
    pygame.quit()
    sys.exit()

emitter = Emitter(WIDTH/2, HEIGHT-100, 0.5)

# 畫面上方風力指示向量起點
start_x = WIDTH//2
start_y = end_y = 100
start_pt = (start_x, start_y)

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
    
    screen.fill(BLACK)    
    
    x, y = pygame.mouse.get_pos()
    
    # 風力大小為 -0.2 ~ 0.2
    wind = pygame.Vector2(-0.2 + 0.4*(x/WIDTH), 0)

    # 畫面上方風力指示向量終點    
    end_pt = (start_x+0.5*(x-start_x), end_y)
    
    draw_vector(screen, start_pt, end_pt)

    emitter.add_particle(particle_image)
    emitter.apply_force(wind)
    emitter.run()
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)

在製作紋理圖片時，除了紋理之外，也要注意圖片的解析度是否合適。在算繪(render)時，解析度越高的圖片會需要越多的計算能力；如果需要動態地改變圖片大小時，更是如此。所以，最好的情況是，使用的圖片大小，就剛好是要呈現在畫面上的大小，這樣在算繪時，就不需要額外再去調整圖片大小，可以加快執行速度。

那如果要呈現在畫面上的圖片大小需要動態地調整，製作圖片時，又該怎麼選擇圖片的大小呢？這時候，要呈現在畫面上的最大尺寸，就是製作紋理圖片時，圖片該有的尺寸。之所以這樣選擇，是為了避免放大圖片，因為放大圖片所需的計算量，會比縮小圖片所需的計算量大。製作紋理圖片時使用最大的尺寸，那在執行程式的過程中，即便需要動態調整圖片大小，也只會需要縮小圖片尺寸，可以避免進行需要較多計算量的圖片放大作業。

Exercise 4.11

使用的粒子圖片

效果

程式部分。調整粒子y方向初始速度的分佈範圍，讓火焰噴高一點：

def __init__(self, x, y, mass, particle_image):
    :
    :
    vy = random.gauss(-2, 0.3)
    :
    :

讓粒子不再隨著壽命減短而淡出畫面，把show()方法的第一行程式

self.surface.fill((255, 255, 255, self.lifespan))

改成

self.surface.fill((255, 255, 255, 255))

主程式部分，去除風力的作用，讓火焰向上燃燒。

Exercise 4.12

使用三種不同的粒子圖片

效果

主程式

# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0


pygame.init()

pygame.display.set_caption("Exercise 4.12")

BLACK = (0, 0, 0)

WIDTH, HEIGHT = screen_size = 640, 360
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 60
frame_rate = pygame.time.Clock()

particle_images = []
load_image_failed = False
for i in range(1, 4):
    try:
        img = pygame.image.load(f"particle-image{i}.png").convert_alpha()
        particle_images.append(img)
    except:
        print(f"無法載入圖片{i}......")  
        load_image_failed = True

if load_image_failed:        
    pygame.quit()
    sys.exit()

emitter = Emitter(WIDTH/2, HEIGHT-100, 0.5)

# 畫面上方風力指示向量起點
start_x = WIDTH//2
start_y = end_y = 100
start_pt = (start_x, start_y)

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
    
    screen.fill(BLACK)    
    
    x, y = pygame.mouse.get_pos()
    
    # 風力大小為 -0.2 ~ 0.2
    wind = pygame.Vector2(-0.2 + 0.4*(x/WIDTH), 0)

    # 畫面上方風力指示向量終點    
    end_pt = (start_x+0.5*(x-start_x), end_y)
    
    draw_vector(screen, start_pt, end_pt)

    # 增加新粒子時，隨機從list中選出一張粒子圖片
    emitter.add_particle(particle_images[random.randint(0, 2)])    
    emitter.apply_force(wind)
    emitter.run()
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)

最後要特別來看看由Robert Hodgin首創的混色模式：additive blending。這個混色模式的做法其實很簡單，就是在混色時，直接把兩個像素的顏色值相加，如果相加之後的值超過255，那就設定成255。所以，當一層一層畫面不斷混色累加時，顏色會越來越亮，呈現出非常太空時代的發光效果。

Example 4.9: Additive Blending

修改Particle類別的show()方法：

def show(self):
    img = self.particle_image.copy()
    # 改變圖片顏色並依據particle剩下的壽命長短來調整透明度
    img.fill((255, 100, 255, self.lifespan), None, pygame.BLEND_RGBA_MULT)
    
    # 利用預設的混色模式來讓圖片顏色變淡
    self.surface.fill((0, 0, 0, 1))
    self.surface.blit(img, (0, 0))
            
    # 使用ADD混色模式把particle所在的surface貼到最後要顯示的畫面上
    center = pygame.Vector2(self.radius, self.radius) 
    self.screen.blit(self.surface, self.position-center, None, pygame.BLEND_RGB_ADD)
    

主程式：

# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0

pygame.init()

pygame.display.set_caption("Example 4.9: Additive Blending")

BLACK = (0, 0, 0)

WIDTH, HEIGHT = screen_size = 640, 360
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 60
frame_rate = pygame.time.Clock()

try:
    particle_image = pygame.image.load("fuzzy-circle.png").convert_alpha()
except:
    print("無法載入圖片......")  
    pygame.quit()
    sys.exit()

emitter = Emitter(WIDTH/2, HEIGHT-100, 0.5)

# 畫面上方風力指示向量起點
start_x = WIDTH//2
start_y = end_y = 100
start_pt = (start_x, start_y)

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
    
    screen.fill(BLACK) 
    
    x, y = pygame.mouse.get_pos()
    
    # 風力大小為 -0.2 ~ 0.2
    wind = pygame.Vector2(-0.2 + 0.4*(x/WIDTH), 0)

    # 畫面上方風力指示向量終點    
    end_pt = (start_x+0.5*(x-start_x), end_y)
    
    draw_vector(screen, start_pt, end_pt)

    # 一次增加三個粒子
    for i in range(3):
        emitter.add_particle(particle_image)
        
    emitter.apply_force(wind)
    emitter.run()
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)

Exercise 4.13

修改Emitter類別的add_particle()方法：

def add_particle(self, particle_image, amount=1):
    for i in range(amount):
        self.particles.append(Particle(self.origin.x, self.origin.y, self.mass, particle_image))

主程式中，一次增加三個粒子的寫法：

emitter.add_particle(particle_image, 3)

Exercise 4.14

修改Particle類別的__init__()方法：

# particle的壽命
self.lifespan = 200

# particle的初始速度
vx = random.randint(-2, 2)
vy = random.randint(-2, 2)

# 新增這一行
self.color = random.choice([(255, 0, 0), (0, 255, 0), (0, 0, 255)])

修改Particle類別的show()方法：

# 改變圖片顏色並依據particle剩下的壽命長短來調整透明度
img.fill(self.color+(self.lifespan,), None, pygame.BLEND_RGBA_MULT)

主程式

# python version 3.10.9
import random
import sys

import pygame  # version 2.3.0


pygame.init()

pygame.display.set_caption("Exercise 4.14")

BLACK = (0, 0, 0)

WIDTH, HEIGHT = screen_size = 640, 360
screen = pygame.display.set_mode(screen_size)

FPS = 60
frame_rate = pygame.time.Clock()

try:
    particle_image = pygame.image.load("fuzzy-circle.png").convert_alpha()
except:
    print("無法載入圖片......")  
    pygame.quit()
    sys.exit()

emitter = Emitter(WIDTH//2, HEIGHT//2, 0.5)

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()
    
    screen.fill(BLACK) 

    emitter.add_particle(particle_image, 3)    
    emitter.run()
    
    pygame.display.update()
    frame_rate.tick(FPS)