HTML5-Tutorium: Canvas: MiniPong 02

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HTML-Tutorium: MiniPong

MiniPong: | Teil 1 | Teil 2 | Teil 3 | Teil 4 | Teil 5

Musterlösung: index1.html, index2.html, index3.html (WK_MiniPong02 (SVN))
index1a.html, index2a.html, index2a_many.html, index3a.html, index3a_many.html (WK_MiniPong02a (SVN))

Ziel: Animation des Balls

Die Ball-Animation des ersten Teils des Tutoriums zeichnet sich noch durch ein prinzipielles Problem aus: Bei der Darstellung der Animation wird die Leistungsfähigkeit des Rechners des Benutzers der Anwendung nicht berücksichtigt. Das ist bei einer einfachen Ball-Animation sicher auch nicht notwendig. Bei komplexeren Anwendungen kann dies allerdings schnell zu großen Performanz-Problemen führen.

Mit Hilfe zweier Optimierungstechniken kann man diese Probleme deutlich abmildern. (Das heißt allerdings nicht, dass jede Animation auf jedem Endgerät läuft.)

Neues Projekt anlegen

Legen Sie ein neues Projekt mit dem Namen „MiniPong02“ an.

Kopieren Sie alle Dateien des Projektes MiniPong01 in das neue Projekt.

Nehmen Sie folgende Anpassungen vor:

• Umbenennung des Ordners „app“ in „app1“.
• Umbenennung der Datei „main.js“ in „main1.js“.
• Umbenennung der Datei „index.html“ in „index1.html“.
• In der Datei „main1.js“:
  • Ersetzen von „app: 'app'“ durch „app: 'app1'“.
• In der Datei „index1.html“:
  • Ändern des Titels in „MiniPong02 (App1)“:
  • Ersetzen von „js/main'“ durch „js/main1“ im Script-Befehl.

Nun sollte die Anwendung wieder laufen.

Trennung von Physik und Grafik

Prinzipiell müssen in jedem Animationsschritt der Anwendung „MiniPong“ aus zwei wesentliche Aktionen durchgeführt werden:

1. Aktualisierung der Simulation eine physikalischen Welt.
2. Aktualisierung der Darstellung der Objekte, deren Physik simuliert wird, auf der Bühne.

Der erste Schritt ist meist nicht sonderlich rechenintensiv: Es müssen einige mathematische Operationen durchgeführt werden, um die Position, die Masse, den Zustand und evtl. andere Eigenschaften der simulierten Objekte zu ermitteln. Allerdings ist es notwendig, diese Berechnungen möglichst häufig pro Sekunde durchzuführen. In der realen Welt erfolgen die meisten Änderungen physikalischer Größen kontinuierlich. Beispielsweise ändern sich die Position, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung eines Balles stetig. Die Simulation derartiger Größenänderungen erfolgt an Rechner dagegen fast immer in diskreten Schritten (Ausnahme: Analogrechner): Mehrmals pro Sekunde werden die Größen neu berechnet. Durch die diskrete Berechnung kontinuierlicher Änderungen kommt es unweigerlich zu Rechenfehlern.

Aus mathematischer Sicht wird bei der Simulation einer physikalischen Welt die Integration durch die Bildung diskreter Summen ersetzt. Bekanntlich kann ein Integral mit Hilfe von Grenzwerten von Flächensummen definiert werden. Die Grenzwertbildung bedeutet, dass die Flächen von immer mehr, immer kleineren Bereichen aufsummiert werden. Im Grenzfall sind die betrachteten Flächen unendlich klein und die Anzahl der Flächen ist unendlich groß. Diese Grenzwertbildung können wir am Rechner natürlich nicht nachbilden. Wir können allerdings versuchen, diskrete Summen von möglichst vielen, möglichst kleinen Elementen zu bilden. Das erreicht man, indem die Frequenz der physikalischen Berechnungen möglichst groß gewählt wird. 500 Neuberechnungen pro Sekunde sind deutlich besser als 20 Neuberechnungen. Und diese sollten möglichst gleichmäßig erfolgen, ohne große Lücken zwischen den einzelnen Schritten, da der zeitliche Abstand zwischen zwei Berechnungsschritten bei der Simulation berücksichtigt werden muss: Ein Ball bewegt sich in 20 ms weiter als in 10. Es ist zwar auch möglich bei jeder Neuberechnung die aktuelle Berechnungsfrequenz zu berücksichtigen – indem man für jeden Berechnungsschritt einen Zeitstempel vergibt, mit dem man ermitteln kann, wann die letzte Berechnung erfolgt ist –, besser ist es jedoch, wenn zwischen zwei Schritten stets gleich viel Zeit vergeht.

Ganz anders stellt sich die Situation im Falle der Grafikausgabe dar. Während für die physikalische Simulation ein paar tausend oder zehntausend Rechenschritte notwendig sind, benötigt man für die Darstellung der Objekte auf dem Bildschirm meist mehrere Millionen Operationen. Beispielsweise besteht ein Full-HD-Bild aus $1920 \cdot 1080 = 2.073.600$ Pixeln. Heute werden i. Allg. Hochleistungsgrafikarten eingesetzt, um mindestens 60 Bilder pro Sekunde zeichnen zu können. Anderenfalls würde das Bild zu sehr flackern. Eine Framerate von 500 Bildern pro Sekunde ist meist vollkommen undenkbar. Das ist aber auch gar nicht notwendig. Es reicht, wenn das Bild auf dem Minitor so oft wie möglich aktualisiert wird. Es müssen nur jeweils alle Objekte, an ihren aktuellen Positionen gezeichnet werden. Und ob zwischen zwei Frames mal ein paar Millisekunden mehr oder oder weniger vergehen, ist auch nicht wesentlich. Wichtiger ist, dass der Rechner für die Verarbeitung des nächsten Bildes bereit ist. Wenn er das letzte Bild noch nicht gezeichnet hat, sollte er nicht mit dem nächsten anfangen. Sonst kann es passieren, das viele aufeinander folgende Bilder nur jeweils unvollständig gezeichnet werden oder dass das System zu ruckeln anfängt, weil die Zeichnen eines jeden Bildes zu lange dauert.

Um diese Probleme zu umgehen, gibt es in JavaScript den Befehl „window.requestAnimationFrame“. Diese Methode erwartet als Input eine Callback-Funktion, die aufgerufen wird, sobald der Bildschirm wieder für eine Grafikausgabe bereitsteht. Üblicherweise aktualisiert diese Callback-Funktion zunächst die Bildschirmdarstellung (Neuzeichnen eins Canvas-Elements, Ändern von SVG-Elementen im DOM-Baum etc.) und ruft dann requestAnimationFrame rekursiv mit derselben Call-Backfunktion auf:

function updateView()
{
   // app: update view
   window.requestAnimationFrame(updateView);
 }

Der Callback-Funktion wird bei jedem Aufruf ein Zeitstempel mitgegeben. Damit kann beispielsweise die aktuelle Framerate ermittelt werden:

var l_last_step = Date.now();
function updateView(p_timestamp)
{
  // app: update view
  console.log('FPS: ' + (Math.round(1000/(p_timestamp - l_last_step))));
  l_last_step = p_timestamp:
   window.requestAnimationFrame(updateView);
 }

Jetzt muss die Animation nur noch gestartet werden. Dazu reicht es, requestAnimationFrame einfach einmal direkt aufzurufen:

window.requestAnimationFrame(updateView);

Dieser Befehl liefert übrigens einen Identifikator zurück, den man in einer Variablen speichern kann:

var v_animation_id = window.requestAnimationFrame(updateView);

Damit ist es möglich, die Animation zu einem späteren Zeitpunkt mittels cancelAnimationFrame wieder zu stoppen:

window.cancelAnimationFrame(v_animation_id);

Model und View

Aufgrund der obigen Erkenntnisse, sollte man in jede Web-Anwendung, die eine Welt simuliert und animiert, zwei Update-Methoden zur Verfügung haben:

• updateModel: Aktualisiert das (physikalische) Modell.
• updateView: Aktualisiert die Bildschirmausgabe.

Die erste Methode wir regelmäßig mit Hilfe eines Timers aufgerufen. Die zweite Methode wird dagegen mit Hilfe von requestAnimationFrame aktiviert.

Konsequenterweise ersetzen Sie zunächst den Begriff “frames per second” und alle Dateien durch “simulation frequency”.

• Edit → Find → Replace in Path...
• Text to find: FindframesPerSecond, Replace with: simulationFrequency/code> → Find → All Files

Ersetzen Sie auf dieselbe Art in allen Dateien fps durch f und passen Sie die Dokumentation von Ball.prototype.move geeignet an.

Erhöhen Sie die Simulations-Frequenz in der Datei „init.json“ auf 100. Laut developer.mozilla.org ist der minimale Abstand zwischen zwei Timer-Events gemäß HTML5-Spezifikation 4 ms. Dieser Wert wird auch von Browsern, die nach 2010 veröffentlicht wurden erreicht. Bei älteren Browsern betrug der minimale zeitliche Abstand noch 10 ms. Das heißt, mit einem Wert von 100 (= 1000/10) ist man immer auf der sicheren Seite, HTML5 erlaubt Werte bis 250 (=1000/4).

Überprüfen Sie, ob Ihre Anwendung noch läuft. Wenn das der Fall ist, sollten Sie in der Datei „minipong.js“ die Methode „draw“ durch folgende zwei Methoden ersetzen:

this.updateModel =
function()
{
  // collision detection and handling
  collision(l_canvas, l_ball);

  // model update
  l_ball.move(l_f);
};

this.updateView =
function()
{
  // clear canvas
  p_context.clearRect(0, 0, l_canvas.width, l_canvas.height);

  // draw the ball
  l_ball.draw(p_context);
};

Als nächste muss noch die Timerfunktion in der Init-Datei angepasst werden. Anstelle von l_game.draw ruft sie jetzt periodisch l_game.updateModel auf:

// model update
p_window.setInterval(l_game.updateModel, 1000/p_init.physics.simulationFrequency);

Damit wir jetzt zwar das physikalische Modell des Balles animiert, aber die Animation wird noch nicht angezeigt. Dazu wird jetzt wie oben beschrieben der Befehl „requestAnimationFrame“ eingesetzt:

// view update
function f_update_view(p_timestamp)
{
  l_game.updateView();
  p_window.requestAnimationFrame(f_update_view);
}
p_window.requestAnimationFrame(f_update_view);

Wenn Sie zusätzlich die Framerate im Canvas ausgeben möchten, fügen Sie zunächst folgendes Objekt in das Objekt „view“ in der Datei „init.json“ ein:

"fps":
{
  "x": 5,
  "y": 15,
  "font" : "bold 10px \"Times New Roman\", Times, serif",
  "color": "black"
}

Dieses Objekt gibt an, wo auf der Bühne die FPS-Angabe erfolgen soll und in welchen Font und in welcher Farbe der Text gesetzt werden soll. Nun können Sie die View-Update-Methode folgendermaßen definieren:

// view update (displaying the frame rate)
var l_last_step = Date.now(),
    l_context   = l_canvas.getContext('2d'),
    l_fps_style = p_init.view.fps,
    l_fps_x     = l_fps_style.x,
    l_fps_y     = l_fps_style.y,
    l_fps_color = l_fps_style.color;

l_context.font = l_fps_style.font;

function f_update_view(p_timestamp)
{
  l_game.updateView();
  l_context.fillStyle = l_fps_color;
  l_context.fillText('FPS: ' + (Math.round(1000/(p_timestamp - l_last_step))),
                     l_fps_x, l_fps_y
                    );
  l_last_step = p_timestamp;

  p_window.requestAnimationFrame(f_update_view);
}
p_window.requestAnimationFrame(f_update_view);

Trennung von Model-Klasse und View-Klasse

Jetzt, nachdem die Berechnung der Animation erfolgreich in Model und View getrennt wurden, sollte man dasselbe auch mit der Ball-Klasse machen. Künftig gibt es zwei Ball-Klassen:

• ModelBall: beschreibt das physikalische Ball-Objekt
• ViewBall: beschreibt das Aussehen des Ball-Objekts (Theme, Skin)

Damit ist es möglich, künftig unterschiedliche Themes für das Ballspiel zu definieren.

Erstellen Sie zunächst folgende Kopien:

• „app1“ → „app2“ (samt Inhalt)
• „main1.js“ → „main2.js“
• „index1.js“ → „index2.js“
• In der Datei „main2.js“:
  • Ersetzen von „app: 'app1'“ durch „app: 'app2'“.
• In der Datei „index2.html“:
  • Ändern des Titels in „MiniPong02 (App2)“:
  • Ersetzen von „js/main1'“ durch „js/main2“ im Script-Befehl.

Überprüfen Sie, ob Ihre Anwendung noch läuft. Erzeugen Sie danach zwei neue Ordner:

• js/app2/model
• js/app2/view

Verschieben Sie anschließend die Datei „ball.js“ in den Ordner „js/app2/model“ und fügen Sie anschließende eine Kopie derselben Datei in den Ordner „js/app2/view“ ein.

Nennen Die in der Datei „js/app2/model/ball.js“ den Konstruktor in „ModelBall“ um (Refactoring; der Bezeichner „Ball“ kommt mehrfach in dieser Datei vor) und entfernen Sie danach alle Parameter, Befehle und Methoden mit Bezug zur View:

• p_init_view
• this.color = p_init_view.color;
• this.borderWidth = p_init_view.borderWidth;
• this.borderColor = p_init_view.borderColor;
• Ball.prototype.draw

In der Datei „js/app2/view/ball.js“ benennen Sie den Konstruktor in „ModelBall“ um (abermals Refactoring) und entfernen dann alle Parameter, Befehle und Methoden mit Bezug zum Modell. Das heißt, es sollten genau diejenigen Parameter, Befehle und Methoden übrigbleiben, die Sie in der anderen Datei gelöscht haben.

Nach diesen Änderungen haben Sie ein funktionierendes Modul „model/ball.js“, aber ein defektes Modul „view/ball.js“. Der Grund für den Defekt des View-Moduls ist die Methode „draw“. Diese Methode greift auf die Position und den Radius des Balles zu, d. h. auf Daten, die im Model enthalten sind, um den Ball an der richtigen Position in der richtigen Größe zu zeichnen.

Grundsätzlich gilt Folgendes:

• Die View muss das Model das Objektes kennen, das sie darstellen möchte, um das Objekt korrekt darstellen zu können.
• Ein Model braucht dagegen nicht zu wissen, ob, wie viele oder gar welche Views für das modellierte Objekt existieren.

Es muss also dem View-Objekt des Balles das zugehörige Model-Objekt des Balles bekannt gemacht werden. Dazu wird dem Ball-Konstruktor in der Datei „js/app2/view/ball.js“ das zugehörige Modell in einem zweitem Parameter übergeben. Dieses Modell wird in einem Attribut „modelBall“ gespeichert:

function ViewBall(p_model_ball, p_init_view)
{
  this.modelBall   = p_model_ball;
  this.color       = p_init_view.color;
  this.borderWidth = p_init_view.borderWidth;
  this.borderColor = p_init_view.borderColor;
}

Nun kann die Draw-Methode so umgeschrieben werden, dass Sie auf die Position und den Radius des Balles wieder zugreifen kann:

p_context.arc(this.x, this.y, this.r, 0, 2*Math.PI);

wird ersetzt durch

p_context.arc(this.modelBall.x, this.modelBall.y, this.modelBall.r, 0, 2*Math.PI);

Zu guter Letzt muss nur noch die MiniPong-Klasse, die alle Objekte des Spiels erzeugt, angepasst werden. Anstelle eines Ball-Objektes muss Sie nun ein Objekt der Klasse „ModelBall“ und ein Objekt der Klasse „ViewBall“ erzeugen. (Hier könnte, sofern es mehrere geeignete View-Klassen gäbe, in der JSON-Datei angegeben werden, welche dieser Klassen verwendet werden soll. Dieser Wahl bezeichnet man als Skinning.)

Zunächst müssen die beiden benötigten Module geladen werden. Der RequireJS-Rahmen sieht daher folgendermaßen aus:

['app/model/ball', 'app/view/ball', 'app/collision'],
  function(ModelBall, ViewBall, collision)
...

Anstelle von l_ball müssen zwei Objekte erzeugt werden: l_model_ball und l_view_ball:

var l_model_ball = new ModelBall(p_init.model.ball),
    l_view_ball  = new ViewBall(l_model_ball, p_init.view.ball),
...

Dem View-Objekt – zusätzlich zum JSON-Initialisierungsobjekt– wird dabei das zuvor erzeugte Model-Objekt als Argument übergeben.

Jetzt müssen nur noch die beiden Animationsmethoden angepasst werden. Die Methode „updateModel“ greift auf das Model-Objekt des Balls zu

...
collision(l_canvas, l_model_ball);
...
l_model_ball.move(l_f);
...

und die Methode „updateView“ auf das View-Objekt:

...
l_view_ball.draw(p_context);
...

Caching der Ball-Textur

Die Draw-Methode der Klasse „ViewBall“ wird sehr häufig durch requestAnimationFrame aufgerufen (optimalerweise 60 mal pro Sekunde und Ball). Die 2D-Kontext-Zeichenbefehle (beginPath, arc, lineWidth etc.) sind relativ „teuer“, d. h., es dauert relativ lang diese Befehle auszuführen. Bei vielen Bällen und macht sich das durchaus bemerkbar.

Viel besser ist es, die Ball-Textur einmal beim Erzeugen des View-Objektes ein eigenständiges kleines Canvas-Objekt zu erstellen und in diesem Objekt die Balltextur zu speichern. Das heißt, die zuvor genannten 2D-Kontext-Zeichenbefehle werden nur ein einziges mal beim Erstellen des Ball-View-Objektes ausgeführt. Die Draw-Methode kopiert künftig nur noch den Inhalt dieses Mini-Canvas-Objektes an die richtige Stelle der eigentlichen Spielbühne. Dies geht wesentliche schneller, als das ständige Neuzeichnen des Balles.

Der Inhalt des View-Moduls sieht nun folgendermaßen aus (der Modulrahmen bleibt natürlich erhalten):

/**
 * @class
 * @classdesc Balls are represented by circles. Every ball has a position and a velocity.
 *            Its new position, which depends on its old position, its velocity and
 *            the frame rate of the game, can be computed. An it can be drawn 
 *            on the 2d context of a canvas element.
 *
 * @param p_model_ball {ModelBall} The model of the ball object.
 * @param p_init_view  A JSON object containing all view initialization information.
 * @param p_document   The HTML document of the web app.
 */
function ViewBall(p_model_ball, p_init_view, p_document)
{
  this.modelBall   = p_model_ball;
  this.color       = p_init_view.color;
  this.borderWidth = p_init_view.borderWidth;
  this.borderColor = p_init_view.borderColor;

  // Define a local canvas containing the view of the ball.
  var l_center  = this.v_center = this.modelBall.r+this.borderWidth,
      l_canvas  = this.v_canvas = p_document.createElement("canvas"),
      l_context = l_canvas.getContext("2d");

  l_canvas.width  = 2*l_center;
  l_canvas.height = 2*l_center;

  l_context.beginPath();
  l_context.arc(l_center, l_center, this.modelBall.r, 0, 2*Math.PI);
  l_context.lineWidth   = this.borderWidth;
  l_context.strokeStyle = this.borderColor;
  l_context.fillStyle   = this.color;
  l_context.stroke();  // Draw the border.
  l_context.fill();    // Fill the inner area of the ball with its color.
}

/**
 * Draws the ball at its current position onto a 2d context.
 *
 * @param p_context The 2d context where the ball is to be drawn.
 */
ViewBall.prototype.draw =
  function(p_context)
  {
    // Instead of drawing the ball each time this method is called,
    // just copy the mini canvas the ball to the main canvas (at the right
    // position of course).
    p_context
      .drawImage(this.v_canvas,
                 this.modelBall.x-this.v_center, this.modelBall.y-this.v_center
                );
  };

Man beachte, dass der Konstruktor jetzt noch einen dritten Parameter erwartet: p_document. Das Dokument-Objekt wird benötigt, um das lokale Canvas-Objekt zu erstellen (aber nicht, um dieses Canvas-Objekt in den DOM-Baum des Dokuments einzufügen!).

Dieser Parameter muss beim Aufruf des Konstruktor natürlich mit einem geeigneten Argument bedacht werden. Dafür sind folgende Änderungen notwendig:

minipong.js: Definition eines neuen Parameters „p_document“ und Übergabe als Argument an den Konstruktor „ViewBall“.

...
 * @param p_document   The HTML document of the web app.
 */
function MiniPong(p_init, p_context, p_document)
{
  var l_model_ball = new ModelBall(p_init.model.ball),
      l_view_ball  = new ViewBall(l_model_ball, p_init.view.ball, p_document),
...

minipong.js: Übergabe des Objektes „p_window.document“ als Argument an den Konstruktor „MiniPong“.

...
l_game = new MiniPong(p_init, l_canvas.getContext("2d"), p_window.document);
...

Welchen Unterschied diese Optimierung der View-Klasse zur Folge hat, ermitteln Sie am besten, wenn Sie die Ergänzungsaufgabe von HTML5-Tutorium: Canvas: MiniPong 01 auch für diesen Teil des Tutoriums durchführen. Animieren Sie nicht nur einen Ball, sondern mehrere Bälle auf einmal. Erhöhen Sie die die Anzahl der Bälle solange, bis die Animation anfängt zu ruckeln. Welcher Unterschied zwischen App2 und App3 stellen Sie fest?

Quellen

1. Braun (2011): Herbert Braun; Webanimationen mit Canvas; in: c't Webdesign; Band: 2011; Seite(n): 44–48; Verlag: Heise Zeitschriften Verlag; Adresse: Hannover; 2011; Quellengüte: 5 (Artikel)
2. Kowarschick (MMProg): Wolfgang Kowarschick; Vorlesung „Multimedia-Programmierung“; Hochschule: Hochschule Augsburg; Adresse: Augsburg; Web-Link; 2018; Quellengüte: 3 (Vorlesung)
3. Musterlösung MiniPong 02 (SVN)
4. Musterlösung MiniPong 02a (SVN)