画布上大约有 120 000 个粒子？

Question

我有大约 120 000 个粒子（每个粒子大小为 1px），我需要找到最好的和最重要的：在画布上绘制的最快方法。

你会怎么做？

现在我基本上是将像素放入一个数组中，然后循环这些粒子，进行一些 x 和 y 计算并使用 fillRect 将它们绘制出来。但是现在的帧率是 8-9 fps。

有什么想法吗？请举例。

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);
}

Answer 1

每秒移动 720 万个粒子

不使用 webGL 和着色器，您希望每帧 120K 粒子 60fps 你需要每秒 720 万点的吞吐量。你需要一台快速的机器。

Web Worker 多核 CPU

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 核 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）并获得略低于 7 倍的性能提升。注意好处仅来自实际的硬件内核，JS 线程往往会耗尽，在一个内核中运行两个 worker 会导致整体吞吐量下降。

即使关闭共享缓冲区，如果您可以控制运行的硬件，它仍然是一个可行的解决方案。

制作一部电影。

LOL 但不是，它是一个选项，并且粒子数没有上限。虽然不像我想的那样互动。如果您通过 FX 销售商品，您是在追求惊喜，而不是如何？

优化

说起来容易做起来难。您需要用细齿梳检查代码。请记住，如果全速运行，则删除一条线每秒会删除 720 万条线。

我又检查了一遍代码。我无法对其进行测试，因此它可能会或可能不会起作用。但它给你的想法。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);

以上是我可以减少的数量。 （无法对其进行测试，因此可能会或可能不会满足您的需要）它可能会每秒多给您几帧。

交错

另一种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，并且需要随机分布点，否则伪影会非常明显。

每一帧你只处理一半的粒子。每次处理粒子时，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受力移动，另一半滑行一帧..

这可能会使帧速率加倍。如果您的粒子非常有条理，并且您获得了聚集闪烁类型的伪影，则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。这同样需要良好的随机分布。

下一个sn-p只是一个例子。每个粒子都需要将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;
     }

更少的颗粒

接缝很明显，但经常被视为可行的解决方案。更少的粒子并不意味着更少的视觉元素/像素。

如果您将粒子数减少 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移动。

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

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

这个技巧和其他各种类似技巧可以为您提供所需的每秒 720 万像素。

最后一点。

请记住，如今的每台设备都有专用的 GPU。你最好用它，这种东西是他们擅长的。

Answer 2

在 webgl 上下文的着色器中计算这些粒子将提供最高性能的解决方案。见 e。 G。以https://www.shadertoy.com/view/MdtGDX 为例。

如果您希望继续使用 2d 上下文，您可以通过在屏幕外执行此操作来加快渲染粒子：

1. 调用context.getImageData()获取图像数据数组
2. 通过操作数据数组绘制像素
3. 用context.putImageData()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>

除了绘制单个像素之外，您可能还需要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。