一起用 HTML5 Canvas 做一个简单又骚气的粒子引擎

腾讯Bugly 技术干货系列内容主要涉及移动开发方向,是由 Bugly 邀请腾讯内部各位技术大咖,通过日常工作经验的总结以及感悟撰写而成,内容均属原创,转载请标明出处。

前言

好吧,说是“粒子引擎”还是大言不惭而标题党了,离真正的粒子引擎还有点远。废话少说,先看[demo],扫描后点击屏幕有惊喜哦……

本文将教会你做一个简单的canvas粒子制造器(下称引擎)。

世界观

这个简单的引擎里需要有三种元素:世界(World)、发射器(Launcher)、粒子(Grain)。总得来说就是:发射器存在于世界之中,发射器制造粒子,世界和发射器都会影响粒子的状态,每个粒子在经过世界和发射器的影响之后,计算出下一刻的位置,把自己画出来。

世界(World)

所谓“世界”,就是全局影响那些存在于这这个“世界”的粒子的环境。一个粒子如果选择存在于这个“世界”里,那么这个粒子将会受到这个“世界”的影响。

发射器(Launcher)

用来发射粒子的单位。他们能控制粒子生成的粒子的各种属性。作为粒子们的爹妈,发射器能够控制粒子的出生属性:出生的位置、出生的大小、寿命、是否受到“World”的影响、是否受到"Launcher"本身的影响等等……

除此之外,发射器本身还要把自己生出来的已经死去的粒子清扫掉。

粒子(Grain)

最小基本单位,就是每一个骚动的个体。每一个个体都拥有自己的位置、大小、寿命、是否受到同名度的影响等属性,这样才能在canvas上每时每刻准确描绘出他们的形态。

粒子绘制主逻辑

上面就是粒子绘制的主要逻辑。

我们先来看看世界需要什么。

创造一个世界

不知道为什么我理所当然得会想到世界应该有重力加速度。但是光有重力加速度不能表现出很多花样,于是这里我给他增加了另外两种影响因素:热气和风。重力加速度和热气他们的方向是垂直的,风影响方向是水平的,有了这三个东西,我们就能让粒子动得很风骚了。

一些状态(比如粒子的存亡)的维护需要有时间标志,那么我们把时间也加入到世界里吧,这样方便后期做时间暂停、逆流的效果。

define(function(require, exports, module) {
   var Util = require('./Util');
   var Launcher = require('./Launcher');

   /**
    * 世界构造函数
    * @param config
    *          backgroundImage     背景图片
    *          canvas              canvas引用
    *          context             canvas的context
    *
    *          time                世界时间
    *
    *          gravity             重力加速度
    *
    *          heat                热力
    *          heatEnable          热力开关
    *          minHeat             随机最小热力
    *          maxHeat             随机最大热力
    *
    *          wind                风力
    *          windEnable          风力开关
    *          minWind             随机最小风力
    *          maxWind             随机最大风力
    *
    *          timeProgress        时间进步单位,用于控制时间速度
    *          launchers           属于这个世界的发射器队列
    * @constructor
    */
    function World(config){
    //太长了,略去细节
    }
    World.prototype.updateStatus = function(){};
    World.prototype.timeTick = function(){};
    World.prototype.createLauncher = function(config){};
    World.prototype.drawBackground = function(){};
    module.exports = World;
 });

大家都知道,画动画就是不断得重画,所以我们需要暴露出一个方法,提供给外部循环调用:

 /**
  * 循环触发函数
  * 在满足条件的时候触发
  * 比如RequestAnimationFrame回调,或者setTimeout回调之后循环触发的
  * 用于维持World的生命
  */

World.prototype.timeTick = function(){

    //更新世界各种状态
    this.updateStatus();

    this.context.clearRect(0,0,this.canvas.width,this.canvas.height);
    this.drawBackground();

    //触发所有发射器的循环调用函数
    for(var i = 0;i<this.launchers.length;i++){
       this.launchers[i].updateLauncherStatus();
       this.launchers[i].createGrain(1);
       this.launchers[i].paintGrain();
    }
 };

这个 timeTick 方法在外部循环调用时,每次都做着这几件事:

  1. 更新世界状态

  2. 清空画布重新绘制背景

  3. 轮询全世界所有发射器,并更新它们的状态,创建新的粒子,绘制粒子

那么,世界的状态到底有哪些要更新?

显然,每一次都要让时间往前增加一点是容易想到的。其次,为了让粒子尽可能动得风骚,我们让风和热力的状态都保持不稳定——每一阵风和每一阵热浪,都是你意识不到的~

World.prototype.updateStatus = function(){
    this.time+=this.timeProgress;
    this.wind = Util.randomFloat(this.minWind,this.maxWind);
    this.heat = Util.randomFloat(this.minHeat,this.maxHeat);
};

世界造出来了,我们还得让世界能造粒子发射器呀,要不然怎么造粒子呢~

World.prototype.createLauncher = function(config){
    var _launcher = new Launcher(config);
    this.launchers.push(_launcher);
};

好了,做为上帝,我们已经把世界打造得差不多了,接下来就是捏造各种各样的生灵了。

捏出第一个生物:发射器

发射器是世界上的第一种生物,依靠发射器才能繁衍出千奇百怪的粒子。那么发射器需要具备什么特征呢?

首先,它是属于哪个世界的得搞清楚(因为这个世界可能不止一个世界)。

其次,就是发射器本身的状态:位置、自身体系内的风力、热力,可以说:发射器就是一个世界里的小世界。

最后就是描述一下他的“基因”了,发射器的基因会影响到他们的后代(粒子)。我们赋予发射器越多的“基因”,那么他们的后代就会有更多的生物特征。具体看下面的良心注释代码吧~

define(function (require, exports, module) {
   var Util = require('./Util');
   var Grain = require('./Grain');

   /**
    * 发射器构造函数
    * @param config
    *          id              身份标识用于后续可视化编辑器的维护
    *          world           这个launcher的宿主
    *
    *          grainImage      粒子图片
    *          grainList       粒子队列
    *          grainLife       产生的粒子的生命
    *          grainLifeRange  粒子生命波动范围
    *          maxAliveCount   最大存活粒子数量
    *
    *          x               发射器位置x
    *          y               发射器位置y
    *          rangeX          发射器位置x波动范围
    *          rangeY          发射器位置y波动范围
    *
    *          sizeX           粒子横向大小
    *          sizeY           粒子纵向大小
    *          sizeRange       粒子大小波动范围
    *
    *          mass            粒子质量(暂时没什么用)
    *          massRange       粒子质量波动范围
    *
    *          heat            发射器自身体系的热气
    *          heatEnable      发射器自身体系的热气生效开关
    *          minHeat         随机热气最小值
    *          maxHeat         随机热气最小值
    *
    *          wind            发射器自身体系的风力
    *          windEnable      发射器自身体系的风力生效开关
    *          minWind         随机风力最小值
    *          maxWind         随机风力最小值
    *
    *          grainInfluencedByWorldWind      粒子受到世界风力影响开关
    *          grainInfluencedByWorldHeat      粒子受到世界热气影响开关
    *          grainInfluencedByWorldGravity   粒子受到世界重力影响开关
    *
    *          grainInfluencedByLauncherWind   粒子受到发射器风力影响开关
    *          grainInfluencedByLauncherHeat   粒子受到发射器热气影响开关
    *
    * @constructor
    */

   function Launcher(config) {
       //太长了,略去细节
   }

   Launcher.prototype.updateLauncherStatus = function () {};
   Launcher.prototype.swipeDeadGrain = function (grain_id) {};
   Launcher.prototype.createGrain = function (count) {};
   Launcher.prototype.paintGrain = function () {};

   module.exports = Launcher;

});

发射器要负责生孩子啊,怎么生呢:

Launcher.prototype.createGrain = function (count) {
       if (count + this.grainList.length <= this.maxAliveCount) {
           //新建了count个加上旧的还没达到最大数额限制
       } else if (this.grainList.length >= this.maxAliveCount &&
           count + this.grainList.length > this.maxAliveCount) {
           //光是旧的粒子数量还没能达到最大限制
           //新建了count个加上旧的超过了最大数额限制
           count = this.maxAliveCount - this.grainList.length;
       } else {
           count = 0;
       }
       for (var i = 0; i < count; i++) {
           var _rd = Util.randomFloat(0, Math.PI * 2);
           var _grain = new Grain({/*粒子配置*/});
           this.grainList.push(_grain);
       }
   };

生完孩子,孩子死掉了还得打扫……(好悲伤,怪内存不够用咯)

Launcher.prototype.swipeDeadGrain = function (grain_id) {
    for (var i = 0; i < this.grainList.length; i++) {
        if (grain_id == this.grainList[i].id) {
            this.grainList = this.grainList.remove(i);//remove是自己定义的一个Array方法
            this.createGrain(1);
            break;
        }
    }
};

生完孩子,还得把孩子放出来玩:

Launcher.prototype.paintGrain = function () {
    for (var i = 0; i < this.grainList.length; i++) {
        this.grainList[i].paint();
    }
};

自己的内部小世界也不要忘了维护呀~(跟外面的大世界差不多)

Launcher.prototype.updateLauncherStatus = function () {
    if (this.grainInfluencedByLauncherWind) {
        this.wind = Util.randomFloat(this.minWind, this.maxWind);
    }
    if(this.grainInfluencedByLauncherHeat){
        this.heat = Util.randomFloat(this.minHeat, this.maxHeat);
    }
};

好了,至此,我们完成了世界上第一种生物的打造,接下来就是他们的后代了(呼呼,上帝好累)

子子孙孙,无穷尽也

出来吧,小的们,你们才是世界的主角!

作为世界的主角,粒子们拥有各种自身的状态:位置、速度、大小、寿命长度、出生时间当然必不可少

define(function (require, exports, module) {
    var Util = require('./Util');

    /**
     * 粒子构造函数
     * @param config
     *          id              唯一标识
     *          world           世界宿主
     *          launcher        发射器宿主
     *
     *          x               位置x
     *          y               位置y
     *          vx              水平速度
     *          vy              垂直速度
     *
     *          sizeX           横向大小
     *          sizeY           纵向大小
     *
     *          mass            质量
     *          life            生命长度
     *          birthTime       出生时间
     *
     *          color_r
     *          color_g
     *          color_b
     *          alpha           透明度
     *          initAlpha       初始化时的透明度
     *
     *          influencedByWorldWind
     *          influencedByWorldHeat
     *          influencedByWorldGravity
     *          influencedByLauncherWind
     *          influencedByLauncherHeat
     *
     * @constructor
     */
    function Grain(config) {
        //太长了,略去细节
    }

    Grain.prototype.isDead = function () {};
    Grain.prototype.calculate = function () {};
    Grain.prototype.paint = function () {};
    module.exports = Grain;
});

粒子们需要知道自己的下一刻是怎样子的,这样才能把自己在世界展现出来。对于运动状态,当然都是初中物理的知识了:-)

Grain.prototype.calculate = function () {
    //计算位置
    if (this.influencedByWorldGravity) {
        this.vy += this.world.gravity+Util.randomFloat(0,0.3*this.world.gravity);
    }
    if (this.influencedByWorldHeat && this.world.heatEnable) {
        this.vy -= this.world.heat+Util.randomFloat(0,0.3*this.world.heat);
    }
    if (this.influencedByLauncherHeat && this.launcher.heatEnable) {
        this.vy -= this.launcher.heat+Util.randomFloat(0,0.3*this.launcher.heat);
     }
     if (this.influencedByWorldWind && this.world.windEnable) {
         this.vx += this.world.wind+Util.randomFloat(0,0.3*this.world.wind);
     }
     if (this.influencedByLauncherWind && this.launcher.windEnable) {
        this.vx += this.launcher.wind+Util.randomFloat(0,0.3*this.launcher.wind);
    }
    this.y += this.vy;
    this.x += this.vx;
    this.alpha = this.initAlpha * (1 - (this.world.time - this.birthTime) / this.life);

    //TODO 计算颜色 和 其他

};

粒子们怎么知道自己死了没?

Grain.prototype.isDead = function () {
    return Math.abs(this.world.time - this.birthTime)>this.life;
};

粒子们又该以怎样的姿态把自己展现出来?

Grain.prototype.paint = function () {
    if (this.isDead()) {
        this.launcher.swipeDeadGrain(this.id);
    } else {
        this.calculate();
        this.world.context.save();
        this.world.context.globalCompositeOperation = 'lighter';
        this.world.context.globalAlpha = this.alpha;
        this.world.context.drawImage(this.launcher.grainImage, this.x-(this.sizeX)/2, this.y-(this.sizeY)/2, this.sizeX, this.sizeY);
        this.world.context.restore();
    }
};

嗟乎。

后续

后续希望能够通过这个雏形,进行扩展,再造一个可视化编辑器供大家使用。

对了,代码都在这:https://github.com/jation/CanvasGrain


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