用 Canvas 编织璀璨星空图

转载自: 简书-用 Canvas 编织璀璨星空图
作者:Cyandev

先来看看最终的效果:
璀璨星空图

GitHub项目: CyandevToys / ParticleWeb

是不是还蛮酷的呢?本文我们就来一点一点分析怎么实现它!

分析

首先我们看看这个效果具体有那些要点。首先,这么炫酷的效果肯定是要用到 Canvas 了,每个星星可以看作为一个粒子,因此,整个效果实际上就是粒子系统了。此外,我们可以发现每个粒子之间是相互连接的,只不过离的近的粒子之间的连线较粗且透明度较低,而离的远的则相反。

开始 Coding

HTML 部分

这部分我就简单放了一个 <canvas> 标签,设置样式使其填充全屏。

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<canvas height="620" width="1360" id="canvas" style="position: absolute; height: 100%;"></canvas>

然后为了让所有元素没有间距和内补,我还加了一条全局样式:

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<style>
* {
margin: 0;
padding: 0;
}
</style>

JavaScript 部分

下面我们来写核心的代码。首先我们要得到那个 canvas 并得到绘制上下文:

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var canvasEl = document.getElementById('canvas');
var ctx = canvasEl.getContext('2d');
var mousePos = [0, 0];

紧接着我们声明两个变量,分别用于存储“星星”和边:

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var nodes = [];
var edges = [];

下一步,我们做些准备工作,就是让画布在窗口大小发生变化时重新绘制,并且调整自身分辨率:

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window.onresize = function () {
canvasEl.width = document.body.clientWidth;
canvasEl.height = canvasEl.clientHeight;

if (nodes.length == 0) {
constructNodes();
}

render();
};

window.onresize(); // trigger the event manually.

我们在第一次修改大小后构建了所有节点,这里就要用到下一个函数(constructNodes)

这个函数中我们随机创建几个点,我们用字典对象的方式存储这些点的各个信息:

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function constructNodes() {
for (var i = 0; i < 100; i++) {
var node = {
drivenByMouse: i == 0,
x: Math.random() * canvasEl.width,
y: Math.random() * canvasEl.height,
vx: Math.random() * 1 - 0.5,
vy: Math.random() * 1 - 0.5,
radius: Math.random() > 0.9 ? 3 + Math.random() * 3 : 1 + Math.random() * 3
};

nodes.push(node);
}

nodes.forEach(function (e) {
nodes.forEach(function (e2) {
if (e == e2) {
return;
}

var edge = {
from: e,
to: e2
}

addEdge(edge);
});
});
}

为了实现后面一个更炫酷的效果,我给第一个点加了一个 drivenByMouse 属性,这个点的位置不会被粒子系统管理,也不会绘制出来,但是它会与其他点连线,这样就实现了鼠标跟随的效果了。

这里稍微解释一下 radius 属性的取值,我希望让绝大部分点都是小半径的,而极少数的点半径比较大,所以我这里用了一点小 tricky,就是用概率控制点的半径取值,不断调整这个概率阈值就能获取期待的半径随机分布。

点都构建完毕了,就要构建点与点之间的连线了,我们用到双重遍历,把两个点捆绑成一组,放到 edges 数组中。注意这里我用了另外一个函数来完成这件事,而没有直接用 edges.push() ,为什么?

假设我们之前连接了 A、B两点,也就是外侧循环是A,内侧循环是B,那么在下一次循环中,外侧为B,内侧为A,是不是也会创建一条边呢?而实际上,这两个边除了方向不一样以外是完全一样的,这完全没有必要而且占用资源。因此我们在 addEdge 函数中进行一个判断:

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function addEdge(edge) {
var ignore = false;

edges.forEach(function (e) {
if (e.from == edge.from && e.to == edge.to) {
ignore = true;
}

if (e.to == edge.from && e.from == edge.to) {
ignore = true;
}
});

if (!ignore) {
edges.push(edge);
}
}

至此,我们的准备工作就完毕了,下面我们要让点动起来:

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function step() {
nodes.forEach(function (e) {
if (e.drivenByMouse) {
return;
}

e.x += e.vx;
e.y += e.vy;

function clamp(min, max, value) {
if (value > max) {
return max;
} else if (value < min) {
return min;
} else {
return value;
}
}

if (e.x <= 0 || e.x >= canvasEl.width) {
e.vx *= -1;
e.x = clamp(0, canvasEl.width, e.x)
}

if (e.y <= 0 || e.y >= canvasEl.height) {
e.vy *= -1;
e.y = clamp(0, canvasEl.height, e.y)
}
});

adjustNodeDrivenByMouse();
render();
window.requestAnimationFrame(step);
}

function adjustNodeDrivenByMouse() {
nodes[0].x += (mousePos[0] - nodes[0].x) / easingFactor;
nodes[0].y += (mousePos[1] - nodes[0].y) / easingFactor;
}

看到这么一大段代码不要害怕,其实做的事情很简单。这是粒子系统的核心,就是遍历粒子,并且更新其状态。更新的公式就是

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v = v + a
s = s + v

a是加速度,v是速度,s是位移。由于我们这里不涉及加速度,所以就不写了。然后我们需要作一个边缘的碰撞检测,不然我们的“星星”都无拘无束地一点点飞~走~了~。边缘碰撞后的处理方式就是让速度矢量反转,这样粒子就会“掉头”回来。

还记得我们需要做的鼠标跟随吗?也在这处理,我们让第一个点的位置一点一点移动到鼠标的位置,下面这个公式很有意思,可以轻松实现缓动:

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x = x + (t - x) / factor

其中 factor 是缓动因子,t 是最终位置,x 是当前位置。至于这个公式的解释还有个交互大神 Bret Victor 在他的演讲中提到过,视频做的非常好,有条(ti)件(zi)大家一定要看看: Bret Victor - Stop Drawing Dead Fish

好了,回到主题。我们在上面的函数中处理完了一帧中的数据,我们要让整个粒子系统连续地运转起来就需要一个timer了,但是十分不提倡大家使用 setInterval,而是尽可能使用 requestAnimationFrame,它能保证你的帧率锁定在 <= 60 fps ,不至于爆掉你的浏览器。函数参数即为回调函数,看起来有点像递归调用,但实际上,浏览器内部处理是将这个回调函数先入事件列队,等所有绘制计算工作完毕后再从列队中取出执行,十分高效。

剩下的就是绘制啦:

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function render() {
ctx.fillStyle = backgroundColor;
ctx.fillRect(0, 0, canvasEl.width, canvasEl.height);

edges.forEach(function (e) {
var l = lengthOfEdge(e);
var threshold = canvasEl.width / 8;

if (l > threshold) {
return;
}

ctx.strokeStyle = edgeColor;
ctx.lineWidth = (1.0 - l / threshold) * 2.5;
ctx.globalAlpha = 1.0 - l / threshold;
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(e.from.x, e.from.y);
ctx.lineTo(e.to.x, e.to.y);
ctx.stroke();
});
ctx.globalAlpha = 1.0;

nodes.forEach(function (e) {
if (e.drivenByMouse) {
return;
}

ctx.fillStyle = nodeColor;
ctx.beginPath();
ctx.arc(e.x, e.y, e.radius, 0, 2 * Math.PI);
ctx.fill();
});
}

常规的 Canvas 绘图操作,注意 beginPath 一定要调用,不然你的线就全部穿在一起了… 需要说明的是,在绘制边的时候,我们先要计算两点距离,然后根据一个阈值来判断是否要绘制这条边,这样我们才能实现距离远的点之间连线不可见的效果。

到这里,我们的整个效果就完成了。如果不明白大家也可以去我文章开头放的 repo 离去看完整的源码。Have fun!!