水面波紋的真實模擬是計算機圖形學中一個經典且重要的課題，廣泛應用于游戲、影視和虛擬現實等領域。本文將從技術原理和實現細節出發，系統介紹如何利用**頂點擾動（Vertex Displacement）**技術，結合多種輔助方法，打造既真實又高效的水面波紋效果。

一、頂點擾動的核心思想

頂點擾動是指在頂點著色器階段，根據一定的波動函數動態調整水面網格頂點的高度（通常是Y軸坐標），從而產生水面起伏的視覺效果。與單純的紋理動畫不同，頂點擾動直接改變幾何形狀，使波浪更具立體感和真實感。

二、實現真實水面波紋的關鍵技術

1. 多頻率波動函數疊加

真實水面波紋由多種頻率和方向的波浪疊加形成。常用的波動函數為正弦波：

h(x,z,t)=∑iAisin?(ki?(x,z)+ωit+?i)h(x, z, t) = \sum_i A_i \sin(k_i \cdot (x, z) + \omega_i t + \phi_i)

h(x,z,t)=i∑Aisin(ki?(x,z)+ωit+?i)

• 振幅 AiA_iAi 控制波浪高度；
• 波數 kik_iki 和角頻率 ωi\omega_iωi** 控制波長和波速；
• 相位 ?i\phi_i?i 用于調整波的起始位置。

通過疊加多個不同參數的波，實現復雜且自然的水面波動5。

2. 頂點高度動態調整

在頂點著色器中，根據上述波動函數計算每個頂點的高度偏移，實時修改其Y坐標，形成動態波浪。也可以通過讀取預先計算好的高度貼圖（如FFT生成的波浪紋理）來驅動頂點位移，提升真實度和可控性17。

3. 法線重建與光照細節

波動后的頂點位置會改變法線方向，必須重新計算法線以保證光照正確。動態法線計算結合法線貼圖（Normal Map）可以表現水面微小波紋細節，增強光照和反射效果4。

4. 紋理與UV擾動

通過對水面紋理的UV坐標進行動態擾動（例如基于噪聲的UV偏移），模擬水流和漣漪的動態變化，增強視覺層次感3。法線貼圖的多次采樣和融合也能制造更自然的水面細節2。

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