canvas 上大约有 120 000 个粒子?

About 120 000 particles on canvas?

我有大约 120 000 个粒子(每个粒子 1px 大小),我需要找到最好的和最重要的:绘制到我的 canvas.

的最快方法

你会怎么做?

现在我基本上是将我的像素放入一个数组,然后我遍历这些粒子,进行一些 x 和 y 计算并使用 fillRect 将它们绘制出来。但是现在的帧率大约是 8-9 fps。

有什么想法吗?请举个例子。

谢谢

最新更新(我的代码)

function init(){

    window.addEventListener("mousemove", onMouseMove);

    let mouseX, mouseY, ratio = 2;

    const canvas = document.getElementById("textCanvas");
    const context = canvas.getContext("2d");
    canvas.width = window.innerWidth * ratio;
    canvas.height = window.innerHeight * ratio;

    canvas.style.width = window.innerWidth + "px";
    canvas.style.height = window.innerHeight + "px";

    context.imageSmoothingEnabled = false;
    context.fillStyle = `rgba(255,255,255,1)`;
    context.setTransform(ratio, 0, 0, ratio, 0, 0);

    const width = canvas.width;
    const height = canvas.height;

    context.font = "normal normal normal 232px EB Garamond";
    context.fillText("howdy", 0, 160);

    var pixels = context.getImageData(0, 0, width, height).data;
    var data32 = new Uint32Array(pixels.buffer);

    const particles = new Array();

    for(var i = 0; i < data32.length; i++) {

        if (data32[i] & 0xffff0000) {
            particles.push({
                x: (i % width),
                y: ((i / width)|0),
                ox: (i % width),
                oy: ((i / width)|0),
                xVelocity: 0,
                yVelocity: 0,
                a: pixels[i*4 + 3] / 255
            });
        }
    }

    /*const particles = Array.from({length: 120000}, () => [
        Math.round(Math.random() * (width - 1)),
        Math.round(Math.random() * (height - 1))
    ]);*/

    function onMouseMove(e){
        mouseX = parseInt((e.clientX-canvas.offsetLeft) * ratio);
        mouseY = parseInt((e.clientY-canvas.offsetTop) * ratio);
    }

    function frame(timestamp) {

        context.clearRect(0, 0, width, height);
        const imageData = context.getImageData(0, 0, width, height);
        const data = imageData.data;
        for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
            const particle = particles[i];
            const index = 4 * Math.round((particle.x + particle.y * width));

            data[index + 0] = 0;
            data[index + 1] = 0;
            data[index + 2] = 0;
            data[index + 3] = 255;
        }
        context.putImageData(imageData, 0, 0);

        for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
            const p = particles[i];

            var homeDX = p.ox - p.x;
            var homeDY = p.oy - p.y;

            var cursorForce = 0;
            var cursorAngle = 0;

            if(mouseX && mouseX > 0){
                var cursorDX = p.ox - mouseX;
                var cursorDY = p.oy - mouseY;
                var cursorDistanceSquared = (cursorDX * cursorDX + cursorDY * cursorDY);
                cursorForce = Math.min(10/cursorDistanceSquared,10);

                cursorAngle = -Math.atan2(cursorDY, cursorDX);
            }else{
                cursorForce = 0;
                cursorAngle = 0;
            }

            p.xVelocity += 0.2 * homeDX + cursorForce * Math.cos(cursorAngle);
            p.yVelocity += 0.2 * homeDY + cursorForce * Math.sin(cursorAngle);

            p.xVelocity *= 0.55;
            p.yVelocity *= 0.55;

            p.x += p.xVelocity;
            p.y += p.yVelocity;
        }
        requestAnimationFrame(frame);
    }

    requestAnimationFrame(frame);
}

webgl 上下文中计算着色器内的这些粒子将提供最高性能的解决方案。见 e。 G。 https://www.shadertoy.com/view/MdtGDX 举个例子。

如果您希望继续使用 2d 上下文,您可以通过在屏幕外这样做来加速渲染粒子:

  1. 调用context.getImageData()获取图片数据数组
  2. 通过操作数据数组绘制像素
  3. context.putImageData()
  4. 放回数据数组

一个简化的例子:

const output = document.getElementById("output");
const canvas = document.getElementById("canvas");
const context = canvas.getContext("2d");
const width = canvas.width;
const height = canvas.height;

const particles = Array.from({length: 120000}, () => [
  Math.round(Math.random() * (width - 1)),
  Math.round(Math.random() * (height - 1))
]);

let previous = 0;
function frame(timestamp) {
  // Print frames per second:
  const delta = timestamp - previous;
  previous = timestamp;
  output.textContent = `${(1000 / delta).toFixed(1)} fps`;
  
  // Draw particles:
  context.clearRect(0, 0, width, height);
  const imageData = context.getImageData(0, 0, width, height);
  const data = imageData.data;
  for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
    const particle = particles[i];
    const index = 4 * (particle[0] + particle[1] * width);
    data[index + 0] = 0;
    data[index + 1] = 0;
    data[index + 2] = 0;
    data[index + 3] = 255;
  }
  context.putImageData(imageData, 0, 0);
  
  // Move particles randomly:
  for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
    const particle = particles[i];
    particle[0] = Math.max(0, Math.min(width - 1, Math.round(particle[0] + Math.random() * 2 - 1)));
    particle[1] = Math.max(0, Math.min(height - 1, Math.round(particle[1] + Math.random() * 2 - 1)));
  }
  requestAnimationFrame(frame);
}

requestAnimationFrame(frame);
<canvas id="canvas" width="500" height="500"></canvas>
<output id="output"></output>

除了绘制单个像素,您可能还想考虑绘制和移动一些纹理,每个纹理上都有很多粒子。这可能会以更好的性能接近完整的粒子效果。

每秒移动 720 万个粒子

不使用 webGL 和着色器并且您希望每帧 120K 个粒子 60fps 你需要每秒 720 万点的吞吐量。你需要一台速度快的机器。

Web workers 多核 CPUs

快速解决方案。在多核机器上,网络工作者为每个硬件核心提供线性性能提升。例如,在 8 Core i7 上,您可以 运行 7 个工作人员通过 sharedArrayBuffers 共享数据(遗憾的是,由于 CPU 安全风险,它全部关闭了 ATM,请参阅 MDN sharedArrayBuffer)并且略低于 7 倍性能改进。请注意,好处仅来自实际的硬件核心,JS 线程往往 运行 平坦,运行 一个核心中的两个工作者导致整体吞吐量下降。

即使关闭了共享缓冲区,如果您可以控制 运行 使用的硬件,它仍然是一个可行的解决方案。

拍电影。

大声笑,但它不是一个选项,并且粒子数没有上限。虽然不像我想的那样具有交互性。如果您通过 FX 销售商品,您追求的是哇,而不是如何?

优化

说起来容易做起来难。您需要使用细齿梳检查代码。请记住,如果 运行 全速删除一行,则每秒删除 720 万行。

我又检查了一遍代码。我无法测试它,所以它可能会或可能不会工作。但它给你想法。您甚至可以考虑仅使用整数数学。 JS可以做定点数学。整数大小比 4K 显示器所需的多 32 位。

第二次优化。

// call this just once outside the animation loop.
const imageData = this.context.getImageData(0, 0, this.width * this.ratio, this.height * this.ratio);
// create a 32bit buffer
const data32 = new Uint32Array(imageData.data.buffer);
const pixel = 0xFF000000; // pixel to fill
const width = imageData.width;


// inside render loop
data32.fill(0); // clear the pixel buffer

// this line may be a problem I have no idea what it does. I would
// hope its only passing a reference and not creating a copy 
var particles = this.particleTexts[0].getParticles();

var cDX,cDY,mx,my,p,cDistSqr,cForce,i;
mx = this.mouseX | 0; // may not need the floor bitwize or 0
my = this.mouseY | 0; // if mouse coords already integers

if(mX > 0){  // do mouse test outside the loop. Need loop duplication
             // But at 60fps thats 7.2million less if statements
    for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
        var p = particles[i];
        p.xVelocity += 0.2 * (p.ox - p.x);
        p.yVelocity += 0.2 * (p.oy - p.y);
        p.xVelocity *= 0.55;
        p.yVelocity *= 0.55;
        data32[((p.x += p.xVelocity) | 0) + ((p.y += p.yVelocity) | 0) * width] = pixel;
    }
}else{
    for (let i = 0; i < particles.length; i++) {
        var p = particles[i];
        cDX = p.x - mx;
        cDY = p.y - my;
        cDist = Math.sqrt(cDistSqr = cDX*cDX + cDY*cDY + 1);
        cForce = 1000 / (cDistSqr * cDist)
        p.xVelocity += cForce * cDx +  0.2 * (p.ox - p.x);
        p.yVelocity += cForce * cDY +  0.2 * (p.oy - p.y);
        p.xVelocity *= 0.55;
        p.yVelocity *= 0.55;
        data32[((p.x += p.xVelocity) | 0) + ((p.y += p.yVelocity) | 0) * width] = pixel;

    }
}
// put pixel onto the display.
this.context.putImageData(imageData, 0, 0);

以上是我能删减的差不多了。 (无法测试,所以可能适合也可能不适合您的需要)它可能每秒给您多几帧。

交织

另一个解决方案可能适合您,那就是欺骗眼睛。这会增加帧速率,但不会增加处理的点,并且要求点随机分布,否则伪影将非常明显。

每一帧你只处理一半的粒子。每次处理粒子时,您都会计算像素索引,设置该像素,然后将像素速度添加到像素索引和粒子位置。

效果是每一帧只有一半的粒子在力的作用下移动,另一半的粒子滑行一帧..

这可能会使帧率翻倍。如果您的粒子非常有条理并且出现成团闪烁类型的伪影,您可以通过在创建时对粒子阵列应用随机洗牌来随机化粒子的分布。同样,这需要良好的随机分布。

下一个片段只是一个例子。每个粒子需要将 pixelIndex 保存到像素 data32 数组中。请注意,第一帧必须是完整帧才能设置所有索引等。

    const interleave = 2; // example only setup for 2 frames
                          // but can be extended to 3 or 4

    // create frameCount outside loop
    frameCount += 1;

    // do half of all particals
    for (let i = frameCount % frameCount  ; i < particles.length; i += interleave ) {
        var p = particles[i];
        cDX = p.x - mx;
        cDY = p.y - my;
        cDist = Math.sqrt(cDistSqr = cDX*cDX + cDY*cDY + 1);
        cForce = 1000 / (cDistSqr * cDist)
        p.xVelocity += cForce * cDx +  0.2 * (p.ox - p.x);
        p.yVelocity += cForce * cDY +  0.2 * (p.oy - p.y);
        p.xVelocity *= 0.55;
        p.yVelocity *= 0.55;

        // add pixel index to particle's property 
        p.pixelIndex = ((p.x += p.xVelocity) | 0) + ((p.y += p.yVelocity) | 0) * width;
        // write this frames pixel
        data32[p.pixelIndex] = pixel;

        // speculate the pixel index position in the next frame. This need to be as simple as possible.
        p.pixelIndex += (p.xVelocity | 0) + (p.yVelocity | 0) * width;

        p.x += p.xVelocity;  // as the next frame this particle is coasting
        p.y += p.yVelocity;  // set its position now
     }

     // do every other particle. Just gets the pixel index and sets it
     // this needs to remain as simple as possible.
     for (let i = (frameCount + 1) % frameCount  ; i < particles.length; i += interleave)
         data32[particles[i].pixelIndex] = pixel;
     }

颗粒少

接缝很明显,但通常被视为可行的解决方案。更少的颗粒并不意味着更少的视觉效果elements/pixels.

如果将粒子计数减少 8,并在设置时创建一个大的偏移索引缓冲区。这些缓冲区保存与像素行为非常匹配的动画像素运动。

这可能非常有效,给人一种每个像素实际上都是独立的错觉。但工作是在预处理和设置偏移动画中。

例如

   // for each particle after updating position
   // get index of pixel

   p.pixelIndex = (p.x | 0 + p.y | 0) * width;
   // add pixel
   data32[p.pixelIndex] = pixel;

   // now you get 8 more pixels for the price of one particle 
   var ind = p.offsetArrayIndex; 
   //  offsetArray is an array of pixel offsets both negative and positive
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   data32[p.pixelIndex + offsetArray[ind++]]  = pixel;
   // offset array arranged as sets of 8, each set of 8 is a frame in 
   // looping pre calculated offset animation
   // offset array length is 65536 or any bit mask able size.
   p.offsetArrayIndex = ind & 0xFFFF ; // ind now points at first pixel of next
                                       // set of eight pixels

这个和其他各种类似的技巧可以为您提供您想要的每秒 720 万像素。

最后一个音符。

请记住,如今每台设备都有专用的 GPU。最好还是用吧,这种东西他们擅长的