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基于HTML5的小球物理测试系统,附实现原理

在线演示:基于HTML5的小球物理测试系统

源码下载:点击进入下载页

功能说明:

一个基于HTML5 canvas的小球物理测试系统,用户可以手动为新的小球设置不同的属性值(颜色,半径,速度等),从而在canvas中发射小球,小球在运动过程中会收到重力,弹性以及摩擦力的影响。

实现原理:

在小球飞行过程中,以初始速度,入射角以及重力系数作为依据,正交分解得出小球X轴和Y轴上的分速度,通过定时器不断刷新canvas,显示出小球飞行的动画。当小球和墙壁产生碰撞时,以小球弹性为依据计算能量损耗,当小球在墙壁滚动时,以墙壁摩擦系数为依据计算其能量损耗。

代码分析:

var bounceWall = (function() {


return function(canvasId,backgroundColor) {
this.init(canvasId, backgroundColor);

}
})();

构造函数,其中调用了prototype中的init方法进行初始化。需要传入的参数是canvas的ID,和canvas的背景色,如果不传入backgroundColor参数,背景色默认为黑色。

bounceWall.prototype = (function() {

var CanvasSupport = Modernizr.canvas; //检查浏览器是否支持canvas
var newBall = function(radius, color, speed, direction, currentX, currentY, elasticity) {

this.radius = parseFloat(radius); //半径
this.color = color; //颜色
this.speed = parseFloat(speed); //速度
this.elasticity = parseFloat(elasticity); //弹性
this.direction = parseFloat(direction); //入射角
this.currentX = parseFloat(currentX); //初始X坐标
this.currentY = parseFloat(currentY); //初始Y坐标
this.dx = speed * Math.cos(this.direction * Math.PI / 180); //计算其X轴方向的初始速度
this.dy = speed * Math.sin(this.direction * Math.PI / 180); //计算其Y轴方向的初始速度
this.nextX = this.currentX + this.dx; //根据速度和初速度得出其下次移动到的X坐标
this.nextY = this.currentY + this.dy; //根据速度和初速度得出其下次移动到的Y坐标


};

开始进入到bounce wall的prototype,首先使用Modernizr检测是否可以使用canvas。Modernizr是一个可以用于检测浏览器是否支持一些新功能的js库,可以下载直接使用。

之后出现的是小球的构造函数newBall,用户需要传入一系列的特性对其进行初始化,具体已经在注释中标出。需要特别注意的是其中的nextX和nextY记录的是小球下一次出现位置的坐标,它根据现在的位置(currentX和currentY)以及小球X轴和Y轴上的分速度(dx和dy)计算得出。nextX和nextY属性的用处主要是保证小球能和墙壁发生完全的碰撞,会在后面的代码分析。

    /* 绘制canvas的背景 */
var drawBackground = function(contextObj, backgroundColor, canvasWidth, canvasHeight) {

contextObj.fillStyle = backgroundColor;
contextObj.fillRect(0, 0, parseInt(canvasWidth), parseInt(canvasHeight));

};

之后的函数是用户绘制canvas的背景,依据的属性是用户设定的背景色,canvas的宽度和高度。

 /* 更新小球状态 */

var updateBallState = function(ballObj, canvasWidth, canvasHeight, gravityValue, friction) {

ballObj.currentX = ballObj.nextX;
ballObj.currentY = ballObj.nextY;
ballObj.nextX = ballObj.currentX + ballObj.dx;
ballObj.nextY = ballObj.currentY + ballObj.dy;

/* 测试对墙壁产生是否X轴碰撞 */

if (ballObj.nextX < ballObj.radius) {
ballObj.nextX = ballObj.radius;
ballObj.dx = Math.max(0, (ballObj.dx + ((1 - ballObj.elasticity) * Math.abs(ballObj.dx))) * -1 - 1);
}
else if ((ballObj.nextX + ballObj.radius) > parseInt(canvasWidth)) {
ballObj.nextX = parseInt(canvasWidth) - ballObj.radius;
ballObj.dx = Math.min(0, (ballObj.dx - ((1 - ballObj.elasticity) * Math.abs(ballObj.dx))) * -1 + 1);
}

/* 水平运动时受摩擦力影响 */
else if (ballObj.currentY >= (parseInt(canvasHeight) - ballObj.radius)) {

if (ballObj.dx > 0) {
ballObj.dx = Math.max(0, ballObj.dx - (ballObj.dx * friction) - 0.01);
}
else if (ballObj.dx < 0) {
ballObj.dx = Math.min(0, ballObj.dx - (ballObj.dx * friction) + 0.01);
}

}


/* 测试对墙壁产生是否Y轴碰撞 */
if (ballObj.nextY < ballObj.radius) {
ballObj.nextY = ballObj.radius;
ballObj.dy = Math.max(0, (ballObj.dy + ((1 - ballObj.elasticity) * Math.abs(ballObj.dy))) * -1 - 1);
}
else if ((ballObj.nextY + ballObj.radius) > parseInt(canvasHeight)) {
ballObj.nextY = parseInt(canvasHeight) - ballObj.radius;
ballObj.dy = Math.min(0, (ballObj.dy - ((1 - ballObj.elasticity) * Math.abs(ballObj.dy))) * -1 + 1);

}
else {
ballObj.dy = ballObj.dy + gravityValue;
}


};

接着是核心函数,updateBallState。该函数的作用是通过小球半径,canvas宽高等参数,判断小球是否和墙壁产生碰撞。并根据对四个不同墙壁的碰撞分别使用不同的处理方法。具体过程如下:

1.首先把上次记录的nextX和nextY设置为现在的currentX和currentY,更新了现在小球所处的位置。

2.计算小球的nextX和nextY,这两个参数将会决定小球下次所处的位置。

3.如果ballObj.nextX < ballObj.radius,册小球于左边的墙壁碰撞,此时把nextX设置为小球半径的值,是为了让小球在完全和墙壁发生碰撞(和墙壁距离为0)之后,再反弹。

      之后改变小球的速度:

ballObj.dx = Math.max(0, (ballObj.dx + ((1 - ballObj.elasticity) * Math.abs(ballObj.dx))) * -1 - 1);

      上面这个式子比较长,其中首先通过1 - ballObj.elasticity根据小球的弹性获取一个系数,该系数越大,则小球速度减小得越多。(1 - ballObj.elasticity) * Math.abs(ballObj.dx))) 则是在获取到刚刚的系数之后,再和小球现在的速度相乘,得到小球碰撞后减少的速度值。由此可以发现,小球弹性越好(ballObj.elasticity越大),则所减少的速度越少,每次碰撞性能损耗越少。之后再通过乘以-1把速度方向取反。可以发现最后还需要把得出的值减1,和0比较取其较大的值,这是因为小球在不断和墙壁碰撞的过程中,由于每次都是以现有速度的百分比作为减少的速度,所以永远都不会为0,小球永远都不会停下。所以这里通过减1,使小球的速度小于1时,速度会自动变成0,使小球最终停下。

4.如果不是和左边墙壁发生碰撞,再同理判断是否和其它墙壁碰撞,若产生碰撞,照例需要改变nextX和nextY,dx或dy的值。

    /* 把小球绘制在canvas中 */
var drawBallsToCanvas = function(ballArray, contextObj, backgroundColor, canvasWidth, canvasHeight, gravityValue, friction) {

return function() {

drawBackground(contextObj, backgroundColor, canvasWidth, canvasHeight);

for (var i = 0, len = ballArray.length; i < len; i++) {
contextObj.beginPath(); debugger;
contextObj.fillStyle = ballArray[i].color;
contextObj.arc(ballArray[i].currentX, ballArray[i].currentY, ballArray[i].radius, 0, 2 * Math.PI, false);

contextObj.fill();
contextObj.closePath();

updateBallState(ballArray[i], canvasWidth, canvasHeight, gravityValue, friction);


}
}
};

这个方法主要功能是每次定时器触发的时候,重新把所有小球绘制到canvas上。具体操作是首先重新画canvas背景(否则在旧位置的小球会保留在canvas上并显示出来),然后遍历保存所有小球的数组,根据每个小球的属性,在canvas上画出具有新位置的小球,并调用之前的updateBallState方法,更新小球的属性,为下次的移动作准备。

  return {
/* 初始化函数 */
init: function(canvasId, backgroundColor, friction, gravityValue) {
if (!CanvasSupport)
return;

this.backgroundColor = backgroundColor || "#000"; //背景色,默认为黑色
this.friction = friction || 0.1; //墙壁摩擦系数,默认为0.1
this.gravityValue = gravityValue || 0.2; //重力系数,默认为0.2
this.canvasObj = util.$(canvasId); //canvas对象
this.canvasWidth = util.getComputedStyle(this.canvasObj).width; //canvas高度
this.canvasHeight = util.getComputedStyle(this.canvasObj).height;//canvas宽度
this.contextObj = this.canvasObj.getContext('2d'); //2d的context对象
this.ballArray = []; //保存所有小球的数组


drawBackground(this.contextObj, this.backgroundColor, this.canvasWidth, this.canvasHeight);
setInterval(drawBallsToCanvas(this.ballArray, this.contextObj, this.backgroundColor, this.canvasWidth, this.canvasHeight, this.gravityValue, this.friction = 0.1), 33);

},

最后进入到返回的object,它作为bounceWall的prototype。其中有init的方法,如果浏览器不支持canvas则返回,否则初始化一切初始属性,并启动setInternal定时器定时更新canvas的状态。

        /* 添加小球 */
createBall: function(radius, color, speed, direction, currentX, currentY, elasticity) {// 小球半径 颜色 速度 方向

var ball = new newBall(radius, color, speed, direction, currentX, currentY, elasticity);


this.ballArray.push(ball);

}

}

})();

添加小球的方法,demo中,该方法在“添加小球”的事件处理程序中被调用,根据用户输入数据进行新小球的添加。

   var wall = new bounceWall('wallCanvas', '#000');     //创建bounce wall

var radiusInput = util.$('radiusInput'); //半径输入文本框
var color_Input = util.$('color_Input'); //颜色输入文本框
var speed_Input = util.$('speed_Input'); //速度输入文本框
var elaticity_Input = util.$('elaticity_Input'); //弹性输入文本框
var inAngle_Input = util.$('inAngle_Input'); //入射角输入文本框
var X_Input = util.$('X_Input'); //初始X坐标输入文本框
var Y_Input = util.$('Y_Input'); //初始Y坐标输入文本框


var btn = util.$('add_btn'); //添加小球按钮
btn.onclick = function() { //绑定事件处理程序,调用creatBall方法创建新小球
wall.createBall(radiusInput.value, color_Input.value, speed_Input.value, inAngle_Input.value, X_Input.value, Y_Input.value, elaticity_Input.value);

}
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