パーリン ノイズを使用して CSS でクールなグラフィックを描画する方法について話しましょう。

ホワイトノイズとは何ですか? Perlin ノイズを使用して CSS でクールなグラフィックを描画するにはどうすればよいですか?以下の記事ではノイズを使って美しいCSSグラフィックを構築する方法を紹介していますので、ぜひ参考にしてください。

#普段は、CSS を使用して興味深いグラフィックを構築するのが好きです。 [推奨学習: css ビデオ チュートリアル ]

まずは簡単な例を見てみましょう。まず、10x10 グリッドを実装するとします。

現時点では、ランダム効果を使用してこのパターンを最適化できます。たとえば、さまざまな色をランダムに追加します。

#random は各グリッドの色をランダムに塗りつぶすために使用されますが、少し面白く見えますが、これは単なるものです。乱雑なグラフィックにはアートのセンスがありません。 ＃＃＃＃＃＃どうしてこれなの？なぜなら、ここでのランダム性は完全にランダムであり、一種のホワイトノイズだからです。

ホワイトノイズとは何ですか?

ノイズは実際には乱数生成器です。

それでは、

ホワイトノイズ

とは何でしょうか?プログラマの観点から理解すると、JavaScript で使用する random() 関数は、生成される数値が 0 ～ 1 の範囲内でほぼ完全にランダムであることが理解できます。 ノイズの基本は乱数です。たとえば、上記のグラフィックスの各グリッドにランダムな色を追加すると、まったく美しさのない乱雑なグラフィック ブロックが得られます。

ホワイト ノイズまたはホワイト ノイズは、一定のパワー

スペクトル密度

を持つランダム信号です。つまり、この信号のパワースペクトル密度は各周波数帯域で同じであり、白色光と様々な周波数(色)の単色光が混合されているため、この信号はフラットなパワーの性質を持っています。スペクトルは「白色」であると言われるため、信号はホワイト ノイズと呼ばれます。 ホワイト ノイズによって生成されたグラフィックスは不自然で、あまり美しくないからです。

実際の自然ノイズを観察してください。これらは上記のものとは異なります。例えば、木の質感や山の起伏などはフラクタルな形状、つまりさまざまなレベルのディテールを含む傾向があり、これらのランダムな成分は完全に独立しているわけではなく、一定の相関関係があります。そしてどうやら、ホワイトノイズではそれができません。

パーリン ノイズ

このようにして、自然に

パーリン ノイズ

が導入されます。 パーリン ノイズ (パーリン ノイズ) は、Ken Perlin によって発明された自然ノイズ生成アルゴリズムを指します。

導入する前に、上のグラフを見てみましょう。ホワイト ノイズ (完全にランダム) を使用せず、パーリン ノイズを使用した場合はどうなるでしょうか。

これは次のようになります:

ここではアニメーション画像を作成しました。感じていただけると思いますが、クリックするたびにベルリン ノイズが使用されています。各グリッドに異なるランダムな色を与えた結果:

Perlin Noise

ランダム効果によって生成されたグラフィックスはそれぞれ異なるものではないことがわかります。まったくつながりがなく、それらの間の変化は連続的であり、それらの間にジャンプはありません。このランダムな効果は、前述した木の質感や山並みの変化など、自然界のランダムな効果と似ています。 上で述べたように、ノイズは実際には乱数生成器です。

• ホワイト ノイズの問題は、ランダムすぎてルールがないことです。
  ホワイト ノイズ
Berlin ノイズ
• はランダム性に基づいており、イージング カーブを使用してこれに基づいて滑らかな補間を実行し、最終的なノイズ効果をより自然にします。
  具体的な実装方法はこちら
改善されたノイズ リファレンス実装

をご覧ください。実際にはそれほど多くのソース コードはありません:

// This code implements the algorithm I describe in a corresponding SIGGRAPH 2002 paper.
// JAVA REFERENCE IMPLEMENTATION OF IMPROVED NOISE - COPYRIGHT 2002 KEN PERLIN.

public final class ImprovedNoise {
   static public double noise(double x, double y, double z) {
      int X = (int)Math.floor(x) & 255,                  // FIND UNIT CUBE THAT
          Y = (int)Math.floor(y) & 255,                  // CONTAINS POINT.
          Z = (int)Math.floor(z) & 255;
      x -= Math.floor(x);                                // FIND RELATIVE X,Y,Z
      y -= Math.floor(y);                                // OF POINT IN CUBE.
      z -= Math.floor(z);
      double u = fade(x),                                // COMPUTE FADE CURVES
             v = fade(y),                                // FOR EACH OF X,Y,Z.
             w = fade(z);
      int A = p[X  ]+Y, AA = p[A]+Z, AB = p[A+1]+Z,      // HASH COORDINATES OF
          B = p[X+1]+Y, BA = p[B]+Z, BB = p[B+1]+Z;      // THE 8 CUBE CORNERS,

      return lerp(w, lerp(v, lerp(u, grad(p[AA  ], x  , y  , z   ),  // AND ADD
                                     grad(p[BA  ], x-1, y  , z   )), // BLENDED
                             lerp(u, grad(p[AB  ], x  , y-1, z   ),  // RESULTS
                                     grad(p[BB  ], x-1, y-1, z   ))),// FROM  8
                     lerp(v, lerp(u, grad(p[AA+1], x  , y  , z-1 ),  // CORNERS
                                     grad(p[BA+1], x-1, y  , z-1 )), // OF CUBE
                             lerp(u, grad(p[AB+1], x  , y-1, z-1 ),
                                     grad(p[BB+1], x-1, y-1, z-1 ))));
   }
   static double fade(double t) { return t * t * t * (t * (t * 6 - 15) + 10); }
   static double lerp(double t, double a, double b) { return a + t * (b - a); }
   static double grad(int hash, double x, double y, double z) {
      int h = hash & 15;                      // CONVERT LO 4 BITS OF HASH CODE
      double u = h<8 ? x : y,                 // INTO 12 GRADIENT DIRECTIONS.
             v = h<4 ? y : h==12||h==14 ? x : z;
      return ((h&1) == 0 ? u : -u) + ((h&2) == 0 ? v : -v);
   }
   static final int p[] = new int[512], permutation[] = { 151,160,137,91,90,15,
   131,13,201,95,96,53,194,233,7,225,140,36,103,30,69,142,8,99,37,240,21,10,23,
   190, 6,148,247,120,234,75,0,26,197,62,94,252,219,203,117,35,11,32,57,177,33,
   88,237,149,56,87,174,20,125,136,171,168, 68,175,74,165,71,134,139,48,27,166,
   77,146,158,231,83,111,229,122,60,211,133,230,220,105,92,41,55,46,245,40,244,
   102,143,54, 65,25,63,161, 1,216,80,73,209,76,132,187,208, 89,18,169,200,196,
   135,130,116,188,159,86,164,100,109,198,173,186, 3,64,52,217,226,250,124,123,
   5,202,38,147,118,126,255,82,85,212,207,206,59,227,47,16,58,17,182,189,28,42,
   223,183,170,213,119,248,152, 2,44,154,163, 70,221,153,101,155,167, 43,172,9,
   129,22,39,253, 19,98,108,110,79,113,224,232,178,185, 112,104,218,246,97,228,
   251,34,242,193,238,210,144,12,191,179,162,241, 81,51,145,235,249,14,239,107,
   49,192,214, 31,181,199,106,157,184, 84,204,176,115,121,50,45,127, 4,150,254,
   138,236,205,93,222,114,67,29,24,72,243,141,128,195,78,66,215,61,156,180
   };
   static { for (int i=0; i < 256 ; i++) p[256+i] = p[i] = permutation[i]; }
}

もちろん、この記事は ベルリン ノイズ

がどのようなものであるかについて具体的に説明しているわけではありません。上記のコードを実装すると、誰でも目まいがしてしまいます。パーリン ノイズを使用して、より通常のグラフィック効果を構築できることを知っておく必要があるだけです。グラフィックをより美しくします。

CSS-doodle を使用し、CSS で Perlin ノイズを使用する

それでは、CSS で

Perlin ノイズ

を使用するにはどうすればよいでしょうか?

一种方式是找一些现成的库，譬如 p5.js 里面的 noise 函数。

当然，这里，我习惯使用 CSS-doodle，这个 CSS 图形构建库我在多篇文章中已经都有介绍过。

简单而言，CSS-doodle 它是一个基于 Web-Component 的库。允许我们快速的创建基于 CSS Grid 布局的页面，并且提供各种便捷的指令及函数（随机、循环等等），让我们能通过一套规则，得到不同 CSS 效果。可以简单看看它的主页 -- Home Page of CSS-doodle，只需要 5min 也许就能快速上手。

譬如上述的图形，它的全部代码：

<css-doodle grid="10x10">
    :doodle {
        @size: 50vmin;
        gap: 1px;
    }
   
    background: hsl(@rn(255, 1, 2), @rn(10%, 90%), @rn(10%, 90%));
</css-doodle>

没错，只需要这么寥寥几句，就可以勾勒出这样一幅图案：

CSS Pattern -- CSS Doodle

https://codepen.io/Chokcoco/pen/eYMNWNq

简单解释下：

• css-doodle 是基于 Web-Component 封装的，基本所有的代码都写在 <css-doodle> 标签内，当然也可以写一些原生 CSS/JavaScript 辅助

• 使用 grid="10x10" 即可生成一个 10x10 的 Grid 网格，再配合 @size: 50vmin，表示生成一个宽高大小为 50vmin 的 10x10 Grid 网格布局，其中 gap: 1px 表示 Gird 网格布局的 gap

• 最后，整个代码的核心部分即是 background: hsl(@rn(255, 1, 2), @rn(10%, 90%), @rn(10%, 90%))，这里即表示对每个 grid item 赋予背景色，其中 @rn()，就是最核心的部分，利用了柏林噪声算法，有规律的将背景色 map 到每一个 grid 上

当然，最新的 CSS-doodle 文档上暂时还查不到 @rn() function 的用法。为此我特意请教了下该库的作者袁川老师。

得到的回复是，官网近期会重构，所以目前没有更新最新的语法。同时，@rn() 的实现使用的就是柏林噪声的实现。同时，函数相当于是类似 p5.js 里面的 noise 函数同时做了 map，map 到前面函数参数设定的 from 到 to 范围内。

这里的 @rn() 柏林噪声随机会根据 Grid 网格，Map 到每一个网格上，使之相邻的 Grid item 之间的值，存在一定的关联。

举个栗子，我们有个 10x10 的 Grid 布局，给其每个 Grid item，添加一个伪元素，伪元素的内容，使用 @r(100) 进行填充，注意，@r() 函数是没有规律的完全随机，那么生成的数字大概是这样的：

可以看到，它们每个各自之间的数字，是完全随机毫无关联的。

如果我们使用有关联的柏林噪声随机呢？使用 @rn(100) 填充每个格子的话，大概是这样：

观察一下，很容易发现，相邻的盒子之间，或者多个连续的格子之间，存在一定的关联性，这就使得，我们利用它创造出来的图形，会具备一定的规律。

可以简单看看源码的实现，当前，前提是你需要对 CSS-doodle 的用法有一定的了解：

    rn({ x, y, context, position, grid, extra, shuffle }) {
      let counter = 'noise-2d' + position;
      let [ni, nx, ny, nm, NX, NY] = last(extra) || [];
      let isSeqContext = (ni && nm);
      return (...args) => {
        let {from = 0, to = from, frequency = 1, amplitude = 1} = get_named_arguments(args, [
          'from', 'to', 'frequency', 'amplitude'
        ]);

        if (args.length == 1) {
          [from, to] = [0, from];
        }
        if (!context[counter]) {
          context[counter] = new Perlin(shuffle);
        }
        frequency = clamp(frequency, 0, Infinity);
        amplitude = clamp(amplitude, 0, Infinity);
        let transform = [from, to].every(is_letter) ? by_charcode : by_unit;
        let t = isSeqContext
          ? context[counter].noise((nx - 1)/NX * frequency, (ny - 1)/NY * frequency, 0)
          : context[counter].noise((x - 1)/grid.x * frequency, (y - 1)/grid.y * frequency, 0);
        let fn = transform((from, to) => map2d(t * amplitude, from, to, amplitude));
        let value = fn(from, to);
        return push_stack(context, 'last_rand', value);
      };
    },

语法大概是 @rn(from, to, frequency, amplitude)，其中 from、to 表示随机范围，而 frequency 表示噪声的频率，amplitude 表示噪声的振幅。这两个参数可以理解为控制随机效果的频率和幅度。

其中 new Perlin(shuffle) 即运用到了柏林噪声算法。

Show Time

OK，上文介绍了很多与噪声和 CSS-doodle 相关的知识，下面我们回归 CSS，回归本文的主体。

在上述图形的基础上，我们可以再添加上随机的 scale()、以及 skew()。如果是完全随机的话，代码是这样的：

<css-doodle grid="20">
    :doodle {
        grid-gap: 1px;
        width: 600px; height: 600px;
    }
    background: hsl(@r(360), 80%, 80%);
    transform: 
        scale(@r(1.1, .3, 3)) 
        skew(@r(-45deg, 45deg, 3));
</css-doodle>

html,
body {
    width: 100%;
    height: 100%;
    background-color: #000;
}

上述代码表示的是一个 20x20 的 Grid 网格，每个 Grid item 都设置了完全随机的背景色、scale() 以及 skew()。当然，这里我们用的是 @r()而不是 @rn()，每个格子的每个属性的随机，没有任何的关联，那么我们会得到这样一幅图案：

好吧，这是什么鬼，毫无美感可言。我们只需要在上述代码的基础上，将普通的完全随机，改为柏林噪声随机 @rn()：

<css-doodle grid="20">
    :doodle {
        grid-gap: 1px;
        width: 600px; height: 600px;
    }
    background: hsl(@rn(360), 80%, 80%);
    transform: 
        scale(@rn(1.1, .3, 3)) 
        skew(@rn(-45deg, 45deg, 3));
</css-doodle>

此时，就能得到完全不一样的效果：

这是由于，每个 Grid item 的随机效果，都基于它们在 Grid 布局中的位置，彼此存在关联，这就是柏林噪声随机的效果。

我可以再添加上 hue-rotate 动画：

html,
body {
    width: 100%;
    height: 100%;
    background-color: #000;
    animation: change 10s linear infinite;
}
@keyframes change {
    10% {
        filter: hue-rotate(360deg);
    }
}

看看效果，并且，在 CSS-doodle 中，由于随机效果，每次刷新，都可以得到不一样的图案：

CSS Doodle - CSS Pattern2

https://codepen.io/Chokcoco/pen/mdxJrGR

当然，这个样式还可以搭配各式各样其他的 idea，像是这样：

CSS Doodle - CSS Pattern 3

https://codepen.io/Chokcoco/pen/wvmazOy

又或者是这样：

CSS Doodle - CSS Pattern 4

https://codepen.io/Chokcoco/pen/dymoOGN

emmm，又或者这样：

CSS Doodle - CSS Pattern 5

https://codepen.io/Chokcoco/pen/PoRqdYP

是的，我们可以把柏林噪声随机应用在各种属性上，我们可以放飞想象，去尝试各种不一样的搭配。下面这个， 就是把柏林噪声运用在点阵定位上：

<css-doodle grid="30x30">
    :doodle {
        @size: 90vmin;
        perspective: 10px;
    }
    position: absolute;
    top: 0;
    left: 0;
    width: 2px;
    height: 2px;
    border-radius: 50%;
    top: @rn(1%, 100%, 1.5);
    left: @rn(1%, 100%, 1.5);
    transform: scale(@rn(.1, 5, 2));
    background: hsl(@rn(1, 255, 3), @rn(10%, 90%), @rn(10%, 90%));
</css-doodle>

CodePen Demo -- CSS Doodle - CSS Pattern6

https://codepen.io/Chokcoco/pen/GRxJXVE

亦或者配合运用在 transform: rotate() 上：

<css-doodle grid="20x5">
    @place-cell: center;
    @size: calc(@i * 1.5%);
    :doodle {
        width: 60vmin; 
        height: 60vmin;
    }
    z-index: calc(999 - @i);
    border-radius: 50%;
    border: 1px @p(dashed, solid, double) hsl(@rn(255), 70%, @rn(60, 90%));
    border-bottom-color: transparent;
    border-left-color: transparent;
    transform: 
        rotate(@rn(-720deg, 720deg))
        scale(@rn(.8, 1.2, 3));
</css-doodle>

效果如下：

当然，每一次随机，都会是不一样的结果：

CodePen Demo -- CSS doodle - CSS Pattern7

https://codepen.io/Chokcoco/pen/ZExGjoy

好吧，我个人想象力有限，大家可以自行找到任一 DEMO，Fork 后自己去尝试碰撞出不一样的火花。

原文地址：https://segmentfault.com/a/1190000042103702

作者：chokcoco

（学习视频分享：web前端入门）

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