Frontender Magazine

Создание системы частиц в 200 строчек JavaScript

"система частиц"

Меньше чем в 200 строчек чистого JavaScript мы создадим гибкую систему частиц с несколькими излучателями и полями гравитации, которые будут притягивать или отталкивать тысячи частиц.

Всё это началось личным проектом и превратилось в Chrome-эксперимент два или три года назад, когда я всерьёз занялся JavaScript-разработкой. Я не математик, не физик и даже не разработчик игр, поэтому наверняка есть более правильные или эффективные реализации того, о чём я буду писать в этой статье. Несмотря на всё это, это был отличный способ изучить производительность JavaScript.

Самое важное, что я вынес из этого проекта, это осознание низкого порога вхождения в графическую разработку. Если у тебя есть текстовый редактор и браузер, то ты можешь уже сейчас писать привлекательные визуализации или даже видеоигры.

Настройка окружения

Нет смысла углубляться в объяснение работы элемента canvas и его 2d-контекста, для этого есть статьи получше. Если вы всё же решили более глубоко разобраться в вопросе и ищете, что прочесть, то вам есть из чего выбирать.

<!DOCTYPE html>
<html>
  <body>
    <canvas></canvas>
  </body>
</html>

Ага, это всё, что нам понадобится, это мир, в котором мы будем творить. Три вложенных тега — это всё, что нужно, чтобы начать.

Чтобы сделать нашу стартовую площадку ещё более аккуратной и чистой, давайте добавим немного стилей, чтобы избавиться от полей и сделать фон чёрным.

<html>
  <head>
    <style>
      body,html {
        margin:0;
        padding:0;
      }
      canvas {
        background-color: black;
      }
    </style>
  </head>
  <body>
    <canvas></canvas>
  </body>
</html>

Canvas-объект

Чтобы получить доступ к объекту canvas, нам достаточно получить элемент любым удобным для нас способом.

var canvas = document.querySelector('canvas');

Canvas может иметь несколько «контекстов», и сейчас нам необходим простой 2d-контекст, который позволит нам манипулировать холстом как растром с помощью набора стандартных методов.

var ctx = canvas.getContext('2d');

Чтобы максимально увеличить рабочую область для опытов с canvas, мы можем задать размеры canvas равными размерам окна браузера.

canvas.width = window.innerWidth;
canvas.height = window.innerHeight;

Цикл анимации

Цикл анимации — это первая непривычная идея, с которой вы столкнётесь, если раньше занимались традиционной разработкой приложений. При работе с графикой таким способом у вас обязательно возникнет желание управлять состоянием системы отдельно от её отрисовки, таким образом, вы придёте к двум отдельным шагам для них. Кроме того, вам понадобится очищать холст от текущего состояния и вызывать следующую итерацию цикла анимации. В результате мы получаем следующий код:

function loop() {
  clear();
  update();
  draw();
  queue();
}

Очистка холста в нашем случае — простая однострочная функция, но она станет гораздо сложнее, если вам потребуется работать с несколькими буферами или состояниями.

function clear() {
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
}

Вызов следующей итерации цикла мог бы быть обычным setTimeout(), но этот способ повлечёт выполнение анимации, даже когда она не нужна пользователю (например, он в другой вкладке), поэтому к нам на помощь приходит requestAnimationFrame API, который позволит браузеру сообщать нам, есть ли необходимость в анимировании следующего кадра или пользователь уже лайкает котиков на YouTube. Этот метод поддерживается большинством браузеров, но если вам нужна поддержка старых браузеров, то воспользуйтесь решением Пола Айриша (Paul Irish).

function queue() {
  window.requestAnimationFrame(loop);
}

Методы update() и draw() составляют большую часть логики, но мы можем пока пропустить их реализацию, чтобы удостовериться, что площадка для дальнейших экспериментов готова.

function update() {
// пропускаем
}

function draw() {
// пропускаем
}

loop();

Окончательный код стартовой площадки приведён ниже. Способ организации всего оставшегося кода целиком на вашей совести, но полноценный пример будет добавлен в конце статьи для демонстрации и сравнения.

var canvas = document.querySelector('canvas');
var ctx = canvas.getContext('2d');

canvas.width = window.innerWidth;
canvas.height = window.innerHeight;

function loop() {
  clear();
  update();
  draw();
  queue();
}

function clear() {
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
}

function update() {
// пропускаем
}

function draw() {
// пропускаем
}

function queue() {
  window.requestAnimationFrame(loop);
}

loop();

Основа для частицы

На самом деле частица — это просто точка, двигающаяся в двумерном пространстве. Чтобы представлять это состояние, мы должны хранить, по крайней мере: координаты, скорость, и ускорение. Каждое из этих свойств может быть представлено в виде двумерного вектора, поэтому начнём с него.

Вектор

Этот объект будет использоваться часто. Если в анимации участвует 10 000 частиц при 30 кадрах в секунду и объект вектора используется для трёх свойств каждой частицы, то мы создаём около миллиона объектов каждую секунду. Учитывая это, объект вектора стоит оптимизировать. Но в нашем случае я буду отдавать предпочтение читабельности кода, а не его оптимизации. Пока особо на этом не зацикливайтесь.

Двумерный вектор в своей основе — просто представление координат X и Y.

function Vector(x, y) {
  this.x = x || 0;
  this.y = y || 0;
}

Объект вектора может содержать множество методов, но прямо сейчас нам понадобятся только следующие:

// Сложить два вектора
Vector.prototype.add = function(vector) {
  this.x += vector.x;
  this.y += vector.y;
}

// Получить длину вектора
Vector.prototype.getMagnitude = function () {
  return Math.sqrt(this.x * this.x + this.y * this.y);
};

// Получить угол вектора, учитывая квадрант
Vector.prototype.getAngle = function () {
  return Math.atan2(this.y,this.x);
};

// Получить новый вектор, исходя из угла и размеров
Vector.fromAngle = function (angle, magnitude) {
  return new Vector(magnitude * Math.cos(angle), magnitude * Math.sin(angle));
};

Частица

Теперь, когда мы получили представление вектора, можем создать объект частицы. Можно задать её свойства или за счёт значений по умолчанию получить частицу, расположенную в нуле координат.

function Particle(point, velocity, acceleration) {
  this.position = point || new Vector(0, 0);
  this.velocity = velocity || new Vector(0, 0);
  this.acceleration = acceleration || new Vector(0, 0);
}

В каждом кадре необходимо смещать частицу, и метод, осуществляющий это, прост и незатейлив. Если частица ускоряется, надо изменить скорость, после этого изменить координаты на значение скорости.

Particle.prototype.move = function () {
  // Добавить ускорение к скорости
  this.velocity.add(this.acceleration);

  // Добавить скорость к координатам
  this.position.add(this.velocity);
};

Излучатель частиц

Излучатель может быть чем угодно, но в конце концов это всего лишь точка, излучающая частицы определённого типа. Излучателем может быть клик мыши, ракета, искрящийся костёр, и всё это может излучать разнообразные частицы: пульсирующие, затухающие и даже имеющие свою собственную гравитацию.

В нашем случае излучатели просто будут выпускать частицы с заданной частотой под определённым углом.

function Emitter(point, velocity, spread) {
  this.position = point; // Вектор
  this.velocity = velocity; // Вектор
  this.spread = spread || Math.PI / 32; // Возможный угол = скорость +/- разброс.
  this.drawColor = "#999";
}

Чтобы получить частицы, мы должны заставить излучатель излучать их. Это сводится к созданию новых частиц со свойствами, наследованными из свойств излучателя, для этого мы используем метод Vector.fromAngle.

Emitter.prototype.emitParticle = function() {
  // Использование случайного угла для формирования потока частиц позволит нам получить своего рода «спрей»
  var angle = this.velocity.getAngle() + this.spread - (Math.random() * this.spread * 2);

  // Магнитуда скорости излучателя
  var magnitude = this.velocity.getMagnitude();

  // Координаты излучателя
  var position = new Vector(this.position.x, this.position.y);

  // Обновлённая скорость, полученная из вычисленного угла и магнитуды
  var velocity = Vector.fromAngle(angle, magnitude);

  // Возвращает нашу Частицу!
  return new Particle(position,velocity);
};

Наша первая анимация!

Кажется, у нас есть всё, чтобы начать эмулировать состояния системы частиц, поэтому теперь мы можем приступить к реализации методов update() и draw().

Для управления состоянием системы нам понадобятся контейнеры для частиц и излучателей. Остановимся на простых массивах.

var particles = [];

// Добавим один излучатель с координатами `100, 230` от начала координат (верхний левый угол)
// Начнём излучать на скорости `2` в правую сторону (угол `0`)
var emitters = [new Emitter(new Vector(100, 230), Vector.fromAngle(0, 2))],

Как вы думаете, на что должен быть похож метод update()? Необходимо генерировать новые частицы и смещать их. Также было бы удобно привязать их к определённым участкам холста, чтобы не пришлось перерисовывать весь холст.

// Обновлённая функция update(), вызываемая из цикла анимации
function update() {
  addNewParticles();
  plotParticles(canvas.width, canvas.height);
}

Функция addNewParticles() прямолинейна — каждый излучатель генерирует набор частиц, и все эти частицы добавляются в соответствующий массив.

var maxParticles = 200; // Эксперимент! 20 000 обеспечит прекрасную вселенную
var emissionRate = 4; // количество частиц, излучаемых за кадр

function addNewParticles() {
  // прекращаем, если достигнут предел
  if (particles.length > maxParticles) return;

  // запускаем цикл по каждому излучателю
  for (var i = 0; i < emitters.length; i++) {

    // согласно emissionRate, генерируем частицы
    for (var j = 0; j < emissionRate; j++) {
      particles.push(emitters[i].emitParticle());
    }

  }
}

Функция PlotParticles() такая же простая, но с небольшой уловкой. Нам не нужно отображать частицы, улетевшие за пределы холста, поэтому необходимо отслеживать эту ситуацию, удалять их и освобождать место для новых частиц. Для этого мы и используем ограничения; мы будем перерисовывать только ту небольшую часть экрана, на которой есть частицы. Нашим ограничением будет наш холст.

function plotParticles(boundsX, boundsY) {
  // Новый массив для частиц внутри холста
  var currentParticles = [];

  for (var i = 0; i < particles.length; i++) {
    var particle = particles[i];
    var pos = particle.position;

    // Если частица за пределами, то пропускаем её и переходим к следующей
    if (pos.x < 0 || pos.x > boundsX || pos.y < 0 || pos.y > boundsY) continue;

    // Перемещение частицы
    particle.move();

    // Добавление частицы в массив частиц внутри холста
    currentParticles.push(particle);
  }

  // Замена глобального массива частиц на массив без вылетевших за пределы холста частиц
  particles = currentParticles;
}

Состояние системы обновляется каждый кадр, и теперь мы можем нарисовать что-нибудь. В данном примере я рисую обычные квадраты, но вы можете нарисовать искры, дым, капли воды или падающие листья. Частицы! Их больше 9 000 и они везде!

var particleSize = 1;

function drawParticles() {
  // Задаём цвет частиц
  ctx.fillStyle = 'rgb(0,0,255)';

  // Запускаем цикл, который отображает частицы
  for (var i = 0; i < particles.length; i++) {
    var position = particles[i].position;

    // Рисуем квадрат определенных размеров с заданными координатами
    ctx.fillRect(position.x, position.y, particleSize, particleSize);
  }
}

Это всё! Вы можете посмотреть, как работает этот пример на Codepen: демонстрация излучателя

Добавление гравитационных полей

Поле в нашей системе — просто точка, притягивающая или отталкивающая частицы. Масса этой частицы может быть положительной (притягивает частицы) или отрицательной (отталкивает). Я использую метод setMass для установки значения массы и предлагаю различать поля по их цвету: притягивающие поля будут зелёнными, а отталкивающие — красными.

function Field(point, mass) {
  this.position = point;
  this.setMass(mass);
}

Field.prototype.setMass = function(mass) {
  this.mass = mass || 100;
  this.drawColor = mass < 0 ? "#f00" : "#0f0";
}

Теперь мы можем создать первое в нашей системе гравитационное поле сходным с излучателями способом.

// Добавляем поле с координатами `400, 230` (правее излучателя),
// установив отрицательную массу `-140`
var fields = [new Field(new Vector(400, 230), -140)];

Нам необходимо, чтобы каждая частица обновляла свою скорость и ускорение в зависимости от гравитационных полей рядом, поэтому стоит добавить соответствующий метод в прототип частицы. Внутренняя логика подсказывает, что этот метод стоило бы добавить в прототип вектора, но в данном случае мы заботимся о производительности метода, который вызывается очень часто.

Particle.prototype.submitToFields = function (fields) {
  // стартовое ускорение в кадре
  var totalAccelerationX = 0;
  var totalAccelerationY = 0;

  // запускаем цикл по гравитационным полям
  for (var i = 0; i < fields.length; i++) {
    var field = fields[i];

    // вычисляем расстояние между частицей и полем
    var vectorX = field.position.x - this.position.x;
    var vectorY = field.position.y - this.position.y;

    // вычисляем силу с помощью МАГИИ и НАУКИ!
    var force = field.mass / Math.pow(vectorX*vectorX+vectorY*vectorY,1.5);

    // аккумулируем ускорение в кадре произведением силы на расстояние
    totalAccelerationX += vectorX * force;
    totalAccelerationY += vectorY * force;
  }

  // обновляем ускорение частицы
  this.acceleration = new Vector(totalAccelerationX, totalAccelerationY);
};

Теперь уже существующую функцию plotParticles надо немного обновить, добавив вызов только что реализованного метода submitToFields прямо перед смещением частиц.

function plotParticles(boundsX, boundsY) {
  var currentParticles = [];
  for (var i = 0; i < particles.length; i++) {
    var particle = particles[i];
    var pos = particle.position;
    if (pos.x < 0 || pos.x > boundsX || pos.y < 0 || pos.y > boundsY) continue;

    // Обновление скорости и ускорения, в соответствии с гравитацией полей
    particle.submitToFields(fields);

    particle.move();
    currentParticles.push(particle);
  }
  particles = currentParticles;
}

Также было бы замечательно визуализировать поля и излучатели, поэтому давайте добавим для этого утилитарный метод и будем вызывать его внутри функции draw

// `object` это поле или излучатель (что-либо имеющее свойства drawColor и position)
function drawCircle(object) {
  ctx.fillStyle = object.drawColor;
  ctx.beginPath();
  ctx.arc(object.position.x, object.position.y, objectSize, 0, Math.PI * 2);
  ctx.closePath();
  ctx.fill();
}

// Обновим функцию draw()
function draw() {
  drawParticles();
  fields.forEach(drawCircle);
  emitters.forEach(drawCircle);
}

Демонстрации

Мои поздравления, вы, наконец, можете посмотреть законченный пример на Сopepen.io: JavaScript Particle System Demo

Поэкспериментируйте с разными комбинациями излучателей и гравитационных полей. Превратите мышку в поле или излучатель с помощью синхронизации позиции курсора и позиции излучателя или поля, на ваше усмотрение. Форкните codepen и попробуйте что-нибудь новое!

Вы можете попробовать следующие комбинации излучателей и полей.

var emitters = [
  new Emitter(new Vector(midX - 150, midY), Vector.fromAngle(6, 2))
];

var fields = [
  new Field(new Vector(midX - 100, midY + 20), 150),
  new Field(new Vector(midX - 300, midY + 20), 100),
  new Field(new Vector(midX - 200, midY + 20), -20),
];

Демонстрация

var emitters = [
  new Emitter(new Vector(midX - 150, midY), Vector.fromAngle(6, 2), Math.PI)
];

var fields = [
  new Field(new Vector(midX - 300, midY + 20), 900),
  new Field(new Vector(midX - 200, midY + 10), -50),
];

Демонстрация

Если вы заметили ошибку, вы всегда можете отредактировать статью, создать issue или просто написать об этом Антону Немцеву в skype ravencry.

Jarrod Overson
Автор:
Jarrod Overson
GitHub:
jsoverson
Twitter:
@jsoverson
Сaйт:
http://jarrodoverson.com/
LinkedIn:
jarrod-overson
Владимир Старков
Переводчик:
Владимир Старков
Сaйт:
http://iamstarkov.com
Twitter:
@iamstarkov
GitHub:
iamstarkov

Комментарии (5 комментариев, если быть точным)

Автар пользователя
equinox7

Круто!

Автар пользователя
Bogdan808

Спасибо, хорошая разминка для мозга )

Автар пользователя
imelos

/ вычисляем силу с помощью МАГИИ и НАУКИ! var force = field.mass / Math.pow(vectorX_vectorX+vectorY_vectorY,1.5);

Что это за магия такая? объясните пожалуйста откуда взялась такая формула?

Автар пользователя
iamstarkov

Насколько мы выяснили это сила, но не простая, а гравитационная, которая считается по нижестоящей формуле, что уже больше похоже на правду b65000f8f887a68545ce63eb1cada232

Автар пользователя
megastels

А почему в статье формула для расчета гравитации выглядит "var force = field.mass / Math.pow(vectorX_vectorX+vectorY_vectorY,1.5);", а вот в личном эксперименте "var force = field.mass / Math.pow((vectorXvectorX+field.mass/2+vectorYvectorY+field.mass/2),1.5);"