发布于 由admin

CSS `Paint Worklet` 绘制 3D 粒子系统或复杂几何图形

各位观众，大家好！今天咱们来聊点儿刺激的，用CSS Paint Worklet 绘制 3D 粒子系统或者复杂的几何图形。听起来是不是有点儿科幻？别怕，我会尽量用大白话把这玩意儿给掰开了揉碎了，保证大家听完之后，也能玩转这些“高科技”。

开场白：CSS 的野心

话说，CSS 这家伙，一直想摆脱“样式表”的帽子，想在图形绘制领域也插一脚。以前，我们只能用 CSS 画画简单的方块、圆圈，稍微复杂点的图形就得靠 SVG、Canvas 或者直接上图片了。但是，这些方法都有各自的局限性。SVG 性能有时候不太给力，Canvas 又得写一大堆 JavaScript 代码。CSS 心想：”难道我就只能当个美工，不能当个艺术家吗？“

所以，Paint Worklet 就应运而生了。它允许我们用 JavaScript 编写高性能的绘图代码，然后在 CSS 中调用，直接在元素的背景、边框或者其他地方绘制图形。这意味着，我们可以用 CSS 实现以前难以想象的视觉效果，比如动态的粒子系统、复杂的 3D 几何图形，甚至是自定义的动画效果。

第一部分：Paint Worklet 基础入门

首先，我们得搞清楚 Paint Worklet 到底是个什么东西。简单来说，它就是一个运行在独立线程的 JavaScript 模块，专门负责绘制图形。

  1. 创建 Paint Worklet 文件:

    创建一个 JavaScript 文件，比如 particle-painter.js。这个文件就是我们的 Paint Worklet 代码存放地。

  2. 注册 Paint Worklet:

    在你的主 JavaScript 文件中，使用 CSS.paintWorklet.addModule() 方法注册这个文件。

    if ('paintWorklet' in CSS) {
  CSS.paintWorklet.addModule('particle-painter.js');
} else {
  console.log('Paint Worklet is not supported in this browser.');
}

    注意: 这个方法是异步的，所以确保在其他依赖 Paint Worklet 的 CSS 规则生效之前完成注册。

  3. 编写 Paint Worklet 代码:

    在 particle-painter.js 文件中，我们需要定义一个类，并继承 CSSPaintWorklet 接口。这个类必须实现一个 paint() 方法。

    class ParticlePainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--particle-color', '--particle-size', '--particle-count'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    // ctx: 绘图上下文，类似于 Canvas 的 2D 上下文
    // geom: 元素的几何信息，包括宽度和高度
    // properties: CSS 属性值
    const color = properties.get('--particle-color').toString();
    const size = parseFloat(properties.get('--particle-size').toString());
    const count = parseInt(properties.get('--particle-count').toString());

    for (let i = 0; i < count; i++) {
      const x = Math.random() * geom.width;
      const y = Math.random() * geom.height;
      ctx.fillStyle = color;
      ctx.beginPath();
      ctx.arc(x, y, size, 0, 2 * Math.PI);
      ctx.fill();
    }
  }
}

registerPaint('particle-painter', ParticlePainter);
    • inputProperties: 这是一个静态 getter，用于声明你的 Paint Worklet 需要哪些 CSS 属性。这样，CSS 属性的变化就会触发 paint() 方法的重新执行。
    • paint(ctx, geom, properties): 这是核心方法。它接收三个参数：
      • ctx: 绘图上下文，类似于 Canvas 的 2D 上下文。你可以用它来绘制各种图形。
      • geom: 元素的几何信息，包括宽度和高度。
      • properties: CSS 属性值。你可以通过 properties.get() 方法获取 CSS 属性的值。

  4. 在 CSS 中使用:

    现在，你可以在 CSS 中使用 paint() 函数来调用你的 Paint Worklet。

    .particle-container {
  width: 300px;
  height: 200px;
  background-image: paint(particle-painter);
  --particle-color: red;
  --particle-size: 5px;
  --particle-count: 100;
}
    • background-image: paint(particle-painter);: 这句代码告诉浏览器，使用名为 particle-painter 的 Paint Worklet 来绘制元素的背景。
    • --particle-color: red; --particle-size: 5px; --particle-count: 100;: 这些是自定义的 CSS 属性，用于控制粒子系统的颜色、大小和数量。

第二部分：绘制 3D 粒子系统

有了上面的基础，我们就可以开始挑战绘制 3D 粒子系统了。当然，这里说的 "3D" 并不是真正的 3D，而是一种通过透视投影模拟出来的 3D 效果。

  1. 定义粒子类:

    首先，我们需要定义一个 Particle 类，用于表示单个粒子。这个类应该包含粒子的位置、速度、大小和颜色等属性。

    class Particle {
  constructor(x, y, z, size, color) {
    this.x = x;
    this.y = y;
    this.z = z;
    this.size = size;
    this.color = color;
    this.vx = (Math.random() - 0.5) * 0.5; // X 轴速度
    this.vy = (Math.random() - 0.5) * 0.5; // Y 轴速度
    this.vz = (Math.random() - 0.5) * 0.5; // Z 轴速度
  }

  update() {
    this.x += this.vx;
    this.y += this.vy;
    this.z += this.vz;

    // 粒子超出边界时重新生成
    if (this.x < -100 || this.x > 100 || this.y < -100 || this.y > 100 || this.z < -100 || this.z > 100) {
      this.x = (Math.random() - 0.5) * 200;
      this.y = (Math.random() - 0.5) * 200;
      this.z = (Math.random() - 0.5) * 200;
    }
  }

  project(width, height, depth) {
    // 透视投影
    const perspective = depth / (depth + this.z);
    const x = this.x * perspective + width / 2;
    const y = this.y * perspective + height / 2;
    return { x, y, perspective };
  }

  draw(ctx, width, height, depth) {
    this.update();
    const projected = this.project(width, height, depth);
    const size = this.size * projected.perspective;

    ctx.fillStyle = this.color;
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(projected.x, projected.y, size, 0, 2 * Math.PI);
    ctx.fill();
  }
}
    • constructor(x, y, z, size, color): 构造函数，用于初始化粒子的属性。
    • update(): 更新粒子的位置。这里我们给粒子加上一个随机的速度，让它们能够移动。
    • project(width, height, depth): 透视投影函数，将 3D 坐标转换为 2D 坐标。
    • draw(ctx, width, height, depth): 绘制粒子。

  2. 修改 Paint Worklet 代码:

    修改 particle-painter.js 文件，使用 Particle 类来创建和绘制粒子。

    class ParticlePainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--particle-color', '--particle-size', '--particle-count', '--depth'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color = properties.get('--particle-color').toString();
    const size = parseFloat(properties.get('--particle-size').toString());
    const count = parseInt(properties.get('--particle-count').toString());
    const depth = parseFloat(properties.get('--depth').toString());

    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    // 初始化粒子
    let particles = [];
    if (!this.particles) {
      for (let i = 0; i < count; i++) {
        const x = (Math.random() - 0.5) * 200;
        const y = (Math.random() - 0.5) * 200;
        const z = (Math.random() - 0.5) * 200;
        particles.push(new Particle(x, y, z, size, color));
      }
      this.particles = particles;
    } else {
      particles = this.particles;
    }

    // 绘制粒子
    particles.forEach(particle => {
      particle.draw(ctx, width, height, depth);
    });

    // 请求下一帧
    ctx.requestAnimationFrame(() => {
      this.paint(ctx, geom, properties);
    });
  }
}

registerPaint('particle-painter', ParticlePainter);
    • --depth: 新的 CSS 属性，用于控制透视的深度。
    • particles: 一个数组，用于存储所有的粒子。
    • ctx.requestAnimationFrame(): 请求下一帧动画。这个方法可以确保动画流畅运行。

  3. 修改 CSS 代码:

    修改 CSS 代码，添加 --depth 属性。

    .particle-container {
  width: 300px;
  height: 200px;
  background-image: paint(particle-painter);
  --particle-color: rgba(255, 255, 255, 0.8);
  --particle-size: 3px;
  --particle-count: 200;
  --depth: 300;
}

    现在，你应该可以看到一个简单的 3D 粒子系统了。

第三部分：绘制复杂几何图形

除了粒子系统，我们还可以用 Paint Worklet 绘制复杂的几何图形。比如，我们可以创建一个自定义的网格背景。

  1. 编写 Paint Worklet 代码:

    创建一个新的 Paint Worklet 文件，比如 grid-painter.js。

    class GridPainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--grid-color', '--grid-size'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const color = properties.get('--grid-color').toString();
    const size = parseFloat(properties.get('--grid-size').toString());

    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    ctx.strokeStyle = color;
    ctx.lineWidth = 0.5;

    // 绘制垂直线
    for (let x = 0; x < width; x += size) {
      ctx.beginPath();
      ctx.moveTo(x, 0);
      ctx.lineTo(x, height);
      ctx.stroke();
    }

    // 绘制水平线
    for (let y = 0; y < height; y += size) {
      ctx.beginPath();
      ctx.moveTo(0, y);
      ctx.lineTo(width, y);
      ctx.stroke();
    }
  }
}

registerPaint('grid-painter', GridPainter);

  2. 注册 Paint Worklet:

    在你的主 JavaScript 文件中，注册 grid-painter.js 文件。

    CSS.paintWorklet.addModule('grid-painter.js');

  3. 在 CSS 中使用:

    .grid-container {
  width: 400px;
  height: 300px;
  background-image: paint(grid-painter);
  --grid-color: rgba(0, 0, 0, 0.1);
  --grid-size: 20px;
}

    现在，你应该可以看到一个简单的网格背景了。

第四部分：进阶技巧和注意事项

  1. 性能优化:

    Paint Worklet 的性能很高，但是如果你不注意，也可能导致性能问题。以下是一些性能优化的建议：

    • 减少重绘: 尽量避免频繁地触发 paint() 方法的重新执行。只有当 CSS 属性发生变化时，才需要重新绘制。
    • 缓存数据: 对于一些计算量大的数据，可以进行缓存，避免重复计算。
    • 使用 OffscreenCanvas: 如果你的绘图逻辑非常复杂，可以考虑使用 OffscreenCanvas。OffscreenCanvas 可以将绘图操作转移到独立的线程中，避免阻塞主线程。

  2. 调试:

    Paint Worklet 的调试比较麻烦，因为它是运行在独立的线程中。以下是一些调试技巧：

    • 使用 console.log(): 虽然 Paint Worklet 运行在独立的线程中，但是你仍然可以使用 console.log() 方法来输出调试信息。
    • 使用 Chrome DevTools: Chrome DevTools 提供了一些工具，可以帮助你调试 Paint Worklet 代码。你可以在 "Application" 面板中找到 "Paint Worklets" 选项卡。

  3. 浏览器兼容性:

    Paint Worklet 的浏览器兼容性还不是很好。目前，只有 Chrome 和 Edge 支持 Paint Worklet。如果你需要在其他浏览器中使用 Paint Worklet，可以使用 Polyfill。

总结：CSS 的未来

Paint Worklet 是 CSS 的一个重要里程碑。它让我们能够用 CSS 实现以前难以想象的视觉效果。虽然 Paint Worklet 目前还不是非常成熟，但是它代表了 CSS 的未来。相信在不久的将来，Paint Worklet 会得到更广泛的应用，成为 Web 开发中不可或缺的一部分。

一些实用技巧表格

技巧点 说明 示例代码
减少重绘 只在必要时更新绘图。避免不必要的属性变化触发重绘。 使用 requestAnimationFrame 避免在每个渲染帧都强制重绘。
缓存计算结果 如果某些计算（比如三角函数）结果不变，缓存它们以避免重复计算。 const angle = Math.PI / 4; const cosAngle = Math.cos(angle); // 缓存 cosAngle
OffscreenCanvas 对于复杂的图形操作，在 OffscreenCanvas 中进行，然后将结果绘制到主 Canvas 上。这可以防止主线程阻塞。 const offscreenCanvas = new OffscreenCanvas(width, height); const offscreenCtx = offscreenCanvas.getContext('2d');
使用 transform 对于简单的平移、旋转和缩放，使用 CSS transform 属性比直接修改 Canvas 坐标更高效。 element.style.transform = 'translate(10px, 20px)';
避免复杂的路径 复杂的路径会降低渲染性能。尽量简化路径，或者使用多个简单的路径代替。 使用多个小矩形代替一个复杂的形状。
优化颜色使用 避免使用复杂的颜色计算。预先计算颜色值并存储它们。 const colorCache = { red: 'rgb(255, 0, 0)', blue: 'rgb(0, 0, 255)' };
减少透明度使用 透明度会降低渲染性能。尽量减少透明度的使用，或者使用半透明的 PNG 图片代替。 尽量避免使用 rgba(0, 0, 0, 0.5)，考虑使用预先处理过的半透明颜色值。
数据结构优化 选择合适的数据结构存储图形数据。例如，使用数组代替链表可以提高访问速度。 使用 Float32Array 存储大量的数值数据，比如顶点坐标。
分层绘制 将图形分成多个层，分别绘制。这样可以更容易地控制图形的渲染顺序和性能。 将背景、前景和动画元素分别绘制到不同的 Canvas 层上。
使用 WebGL 对于极其复杂的 3D 图形，可以考虑使用 WebGL 代替 Canvas 2D 上下文。WebGL 提供了更强大的渲染能力和性能。 使用 Three.js 或 Babylon.js 等 WebGL 库简化开发。
调试技巧 使用 Chrome DevTools 的 Performance 面板分析性能瓶颈。在 Paint Worklet 代码中使用 console.time() 和 console.timeEnd() 测量代码执行时间。 console.time('drawParticle'); // 绘制粒子代码 console.timeEnd('drawParticle');
缓存粒子状态 对于粒子系统，缓存粒子的位置、速度等状态，避免在每一帧都重新计算。 在 Particle 类中缓存 x, y, z, vx, vy, vz 等属性。
简化透视投影 如果不需要精确的透视效果，可以使用简化的透视投影公式。 使用线性插值代替复杂的除法运算。
使用纹理 对于重复的图案，可以使用纹理代替直接绘制。 将网格图案绘制到 OffscreenCanvas 上，然后将该 Canvas 作为纹理使用。
避免锯齿 使用 ctx.imageSmoothingEnabled = false; 关闭图像平滑，可以提高渲染性能。 在绘制像素艺术或低分辨率图形时尤其有用。

希望这些技巧能帮助大家更好地使用 Paint Worklet。

最后，祝大家玩得开心，创作出更多令人惊艳的视觉效果！下次再见！

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注