一起用HTML5 canvas做一个简单又骚气的粒子引擎

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

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。

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