如何基于Canvas来模拟真实雨景Part2:重力掉落和雨滴融合

techbrood 发表于 2016-05-21 15:17:47

标签: canvas, html5, 下雨, 窗户, 教程

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Part1中我们已经建立了绘制环境、背景和雨点对象。本文我们将接着讲述更为吸引人的动画部分。

重力掉落

我们先复习下自由落体的基本公式:

速度-时间公式:Δv=gΔt
位移-时间公式;h=gt^2/2
速度-位移公式:v^2=2gh

重力只作用于物体的y轴方向,一个处于自由落体状态的雨滴,不计空气阻力和风力的时候,其运动将符合上面的规律。

力作用于物体上时都会产生加速度(重力产生重力加速度g=9.8),因此我们需要给雨滴y轴的速度分量(vy)添加一个时间增量。

我们假定每秒帧数(fps)为30,那么每次刷新的时间间隔为1/30秒,乘以g,速度增量约为0.33的样子。但是,雨滴在窗户上的情况要复杂得多,因为其还受到窗户的阻力,下落的形式可能会包含滚动和滑动,其摩擦力的计算方法也不相同,另外窗户上的灰尘导致各个点的阻力并不完全相同,总体上我们可以认为越小的雨滴受窗户的影响越大(因其接触面积相对占比大更容易被吸附住),因此我们还需要给vy添加一个和雨滴半径成反比的随机摩擦系数,这样就造成一个时快时慢乃至有些雨点会停留在窗户上的效果。

在有风的环境中(通常是有的),除了y方向的速度,我们还要考虑x方向的速度,总的速度为:

v = Math.sqrt(vx*vx, vy*vy);

当然在画布上,我们还是按照x,y轴分开来计算偏移的。

RainyView.prototype.gravity = function(drop) {
  this.g = 9.8;
  this.fps = 30;
  var r_base = 3;
  if (drop.yspeed) {
    friction = this.base_friction + Math.ceil(Math.random() * this.g) / (Math.floor(drop.r) - r_base + 1);
    drop.yspeed += Math.floor(this.g - friction)/this.fps; 
    if(drop.yspeed < 0) drop.yspeed = 0;
    drop.xspeed += Math.floor(drop.r);
  } else {
    drop.yspeed = 0.01; //给定一个启动速度
    drop.xspeed = 0;
  }

  drop.y += drop.yspeed;
  drop.draw();
  return false;
};

你还可以给上面代码中的速度增量乘上一个系数来调整实际的动画效果,不需要过度模拟真实情况。

碰撞融合

要检测粒子(雨滴)之间的碰撞情况,数学上来讲就是计算两个雨滴中心点的距离,如果小于等于半径之和,则两个水滴已经碰在了一起,将开始融合。但是我们不能遍历所有的粒子,这样的计算效率是很差的。我们实际上只需要计算相邻粒子之间的距离,为此一个常用的方法是建立和画布对应的相邻矩阵,每个粒子占据矩阵中的一个位置,其相邻粒子最多有4个。我们每次移动雨滴粒子的时候,计算一下和相邻粒子的距离,决定是否进行融合。

RainyView.prototype.collision = function(drop, collisions) {
	var item = collisions;
	var drop2;
	// 计算矩阵(链表结构)中相邻粒子的距离,取出第一个需要融合的雨滴粒子
	while (item != null) {
		var p = item.drop;
		var radiusSum = drop.r + p.r;
		var dx = drop.x - p.x;
		var dy = drop.y - p.y;
		if(Math.abs(dx) < radiusSum) {
			if(Math.abs(dy) < radiusSum) {
				if (Math.sqrt(Math.pow(drop.x - p.x, 2) + Math.pow(drop.y - p.y, 2)) < (drop.r + p.r)) {
					drop2 = p;
					break;
				}
			}
		}
		item = item.next;
	}

	if (!drop2) {
		return;
	}

	// 移除高一点的雨滴,融合到低一点的雨滴中
	var higher,
		lower;
	if (drop.y > drop2.y) {
		higher = drop;
		lower = drop2;
	} else {
		higher = drop2;
		lower = drop;
	}

	this.clearDrop(lower);
	// force stopping the second drop
	this.clearDrop(higher, true);
	this.matrix.remove(higher);
	lower.r = Math.sqrt(higher.r*higher.r + lower.r*lower.r);//合并雨滴
	lower.draw();

	lower.collided = true;
};

解决了重力掉落和碰撞检测后,我们需要实现一个“下雨”的动画主函数,这个函数用来驱动每个雨滴的运动:

RainyView.prototype.animate = function() {
	var dropsClone = this.drops.slice();
	var newDrops = [];
	for (var i = 0; i < dropsClone.length; ++i) {
		if (dropsClone[i].move()) {//该函数定义参见Part1
			newDrops.push(dropsClone[i]);
		}
	}
	this.drops = newDrops;
	window.requestAnimFrame(this.animateDrops.bind(this));
};

这样基本上就完成了整个的下雨动画,为了更加逼真,你还可以添加雨滴的滑落轨迹(水渍效果)和雨滴的反射效果(参考CSS3泡沫一文中的方法),还有一些实现细节,这里不做描述。

最终的效果看起来会是下面这样:

blob.png

你可以自己在线试试

后续我们计划讲解如何使用WebGL来实现3D版本的雨滴效果。

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