如何从X/Y坐标确定地生成伪随机模式

Question

我正在编写一个着色器，它偶尔会在2D贴图上产生点闪光。（"闪光"只是一个颜色更亮的像素。）我希望闪光块在（无限）平面上随机均匀分布，但我希望闪光基于X和Y坐标具有确定性。我尝试从坐标创建种子，并从该种子创建Java Random，但到目前为止，我的尝试已经产生了可识别的模式。此函数将被频繁调用（数百万次），因此性能至关重要。

我首先尝试模拟我的hashCode()实现，它使用素数乘法器来避免冲突。这导致地图上出现了一道可见的裂缝，一系列点共享同一种子。

然后，我试图通过连接坐标来创建一个种子，如下所示：

long seed = ((long) x << 32) | (long) y;
Random rand = new Random(seed);

这似乎也产生了模式化的数据，尽管模式并没有那么明显。选定的坐标显示为直线，而不是均匀分布。

我避免使用MD5或其他加密哈希算法，因为我担心性能会受到影响。

Answer 1

以下是一个非常有效的函数，用于以伪随机但具有确定性的方式混合比特：

public static final long xorShift64(long a) {
    a ^= (a << 21);
    a ^= (a >>> 35);
    a ^= (a << 4);
    return a;
}

因此，如果你想要一个来自x和y坐标的伪随机长结果，你可以做一些类似的事情：

    long mix = xorShift64(x) + Long.rotateLeft(xorShift64(y),32) + 0xCAFEBABE;
    long result = xorShift64(mix);

我以前在图形中成功地使用过这种方法，效果非常好！随机数的质量大约和java.util.random一样好，但速度要快得多。。。。

Answer 2

在java.util.Random中实现的线性同余生成器具有对任何选定的SEED都可重复的优点。鉴于这些声明，

private static final int SEED = 42;
private static final int N = 128;
private static final int MAX_X = 1024;
private static final int MAX_Y = 1024;
private final Random rnd = new Random(SEED);
private final List<SparklePoint> list = new ArrayList<SparklePoint>(N);

您可以初始化矩形(0, 0, MAX_X, MAX_Y)中随机选择的N点的（可重复）列表，如下所示：

public void init(int seed) {
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        int x = rnd.nextInt(MAX_X);
        int y = rnd.nextInt(MAX_Y);
        list.add(new SparklePoint(x, y));
    }
}

给每个点一个Timer可能很方便，其周期是从相同的序列中选择的：

private class SparklePoint implements ActionListener {
    private static final int MAX_DELAY = 1000;
    private final Point p;
    private final Timer t;
    private boolean bright;
    public SparklePoint(int x, int y) {
        p = new Point(x, y);
        t = new Timer(rnd.nextInt(MAX_DELAY), this);
        t.setRepeats(false);
        t.start();
    }
    @Override
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        t.stop();
        if (bright) {
            // darken p
        } else {
            // brighten p
        }
        bright = !bright;
        t.setDelay(rnd.nextInt(MAX_DELAY));
        t.start();
    }
}

Answer 3

这是我做的事情，它有效（产生了所需的效果），但肯定不是完美的。

MessageDigest md5;
try {
    md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
    e.printStackTrace();
    return null;
}
md5.update(new byte[] {
    (byte)(x >>> 24),
    (byte)(x >>> 16),
    (byte)(x >>> 8),
    (byte)x,
    (byte)(z >>> 24),
    (byte)(z >>> 16),
    (byte)(z >>> 8),
    (byte)z
}, 0, 8);
byte[] digest = md5.digest();
long seed = digest[0] + (digest[1] << 8) + (digest[2] << 16) + (digest[3] << 24) + (digest[4] << 32) + (digest[5] << 40) + (digest[6] << 48) + (digest[7] << 56);
Random random = new Random(seed);

除了特别冗长之外，Random的使用可能过多，因为我只拉取调用nextInt()两次。它对于生成特定范围内的值很有用，但无论如何，我都应该能够使用模运算来实现这一点。

我喜欢MD5是一种很好理解的算法，加密安全性对这个应用程序来说并不重要。不过，我肯定想要更快（而且不那么乱）的。