Question

我正在尝试基于我知道速度（v）和我要行驶的距离这一事实来计算requestFrame循环中的衰减或速度。我也知道每一帧的毫秒数。

所以一个简单的衰减算法是：

velocity *= 0.9

这会平滑且平稳地降低速度。但是我希望动画元素停止在给定位置（捕捉到网格）。那么如何准确计算出减速度？

Answer 1

我必须承认不清楚在您的场景中是否有 1、2 或 3 个维度，我将谈论线性运动；请记住，在多维环境中，速度、加速度和距离是向量。

我会使用匀加速公式：

S = v0 * t + 1/2 * a * t ^ 2

vt = v0 + a * t

从你的问题看来，加速度和时间应该是问题的输出。

在你的问题中最后一件不清楚的是，在你说“我知道我想要旅行的距离”之前，你需要在网格上结束运动，这两句话似乎是相反的......我会处理这个在计算过程开始时舍入结束位置。

现在我们的问题有以下输入：

D（距离），已知
v0（初始速度），已知
vt（结束速度），知道：0
dt（增量时间），已知：两个连续帧之间的时间，以秒表示（不是以毫秒为单位）

让我们开始用加速度的函数来表达时间（第二个公式）

t = (vt - v0) / a

vt = 0，所以

t = - v0 / a

让我们将其替换为第一个公式

S = - v0 ^ 2 / a + 1/2 * a (- v0 / a) ^ 2 = - (v0 ^ 2) / (2 * a)

从这里我们可以找到加速度

a = - (v0 ^ 2) / (2 * S)

从第二个公式中得出时间

t = - v0 / a

正如我们所说，在过程开始时，我们需要将距离四舍五入到网格的位置对齐：

rD = roundDistanceToGrid(D);
a = - velocity * velocity / 2 / rD;
t = - velocity / a;

t 不会是 dt

的整数乘数

从现在开始，直到经过的时间小于t，在每一帧刚刚

velocity += a * dt;

在时间过去后的第一帧上，要修复由于舍入而导致的错误，请将速度设置为零并将对象准确放置在网格上。

Answer 2

对于衰减系数q和n步长（基本时间间隔），距离是几何级数的总和

D = v0 * (1-q**n) / (1-q)

我们可以使用简单的数值方法为给定的q，D和v0找到n（后者是已知的吗？）。

还要注意，速度永远不会为零，因此您可能必须使用一些阈值来停止。如果速度线性减小（恒定减速度）而不是指数减小，那么情况就更简单了。

Answer 3

简答：

d = 99  // Distance  
v = 11  // Velocity

// Negative acceleration is deceleration:
acceleration = -0.5 * v * v / (d - 0.5 * v)

推导：

从恒加速度运动方程开始：

s1 = s0 + v0 + a*t*t/2

和加速度方程：

a = dv/dt (change in velocity over change in time)

并求解a：

我们知道 dv = -v0 因为最终速度是 0。
所以t = dt = -v0/a
将 t 代入第一个方程并求解 a 得到：

a = -0.5 * v0*v0 / (s1 - s0)
s1 - s0 只是行进的距离 d。出于某种原因，我不得不从 d 中减去一半的速度才能得到正确的结果......

模拟证明： 您可以尝试在下面的模拟中输入不同的速度和距离。

请注意，最终位置有点偏离，因为方程假设连续运动（无限小的时间步长），但 requestFrame 会产生相对较大的时间步长。
出于同样的原因，加速度必须在运动开始时仅计算一次并保存。我尝试重新计算每一帧的加速度，但随着到达最终位置，舍入/模拟误差变得太大。

function run() {
  console.log('Simulating:')
   
  d = getNumber('d')  // Distance
  v = getNumber('v')  // Velocity

  p = 0  // Position
  a = -0.5 * v * v / (d - 0.5 * v) // Acceleration
  
  log = [{p, v, a}]
  
  while (v > 0) {
    p = p + v;
    d = d - p;
    v = v + a;
    data = {p, v, a};
    console.log(data) // For StackOverflow console
    log.push(data)
  }
  console.table(log); // For browser dev console
}

function getNumber(id) {
  return Number(document.getElementById(id).value)
}

<div>Distance <input id=d value=10 /></div>
<div>Velocity <input id=v value=1 /></div>
<div><button onclick='run()'>Run Simulation (Open dev console first to get full data in a nicely formatted table)</button></div>

Answer 4

这更像是一个软件工程问题，而不是一个数学/物理问题。数学/物理非常简单。这里的难点是处理浏览器变化的帧/滴答率。对于由变化持续时间的离散时间步长提出的问题，数学/物理学不会太实用。

这是一些解决问题的代码；请注意，您可以单击“不稳定”以查看它在非常不稳定的帧/滴答率下的工作情况（您将在实现中看到这种延迟模拟是真实的！）

最好点击“整页”按钮：

let elem = document.querySelector('.model');
let rangeElem = document.querySelector('.range');
let fpsElem = document.querySelector('.fps');
let destabilizeElem = document.querySelector('.destabilize');

destabilizeElem.addEventListener('click', evt => {
  destabilizeElem.classList.toggle('active');
  evt.stopPropagation();
  evt.preventDefault();
});

let model = {
  pos: [ 0, 0 ],
  vel: [ 0, 0 ],
  startPos: [ 0, 0 ],
  range: 100
};
let reset = ({ startMs, range, vel, ang=0 }) => {
  
  // Start again with `range` representing how far the model
  // should travel and `vel` representing its initial speed.
  // We will calculate `velMult` to be a value multiplied
  // against `vel` each frame, such that the model will
  // asymptotically reach a distance of `range`
    
  let [ velX, velY ] = [ Math.sin(ang) * vel, Math.cos(ang) * vel ];
  
  // Note the box-shadow on `rangeElem` is 2px wide, so to
  // see the exact range it represents we should subtract
  // half that amount. This way the middle of the border
  // truly represents a distance of `range`!
  rangeElem.style.width = rangeElem.style.height = `${(range - 1) << 1}px`;
  rangeElem.style.marginLeft = rangeElem.style.marginTop = `-${range - 1}px`;
  elem.transform = 'translate(0, 0)';

  model.pos = [ 0, 0 ];
  model.vel = [ velX, velY ];
  model.startPos = [ 0, 0 ];
  model.range = range;
  
};

let ms = performance.now();
let frame = () => {
  
  let prevFrame = ms;
  let dms = (ms = performance.now()) - prevFrame;
  let dt = dms * 0.001;
  
  elem.style.transform = `translate(${model.pos[0]}px, ${model.pos[1]}px)`;
  
  // Now `velMult` is different every frame:
  let velMag = Math.hypot(...model.vel);
  let dx = model.pos[0] - model.startPos[0];
  let dy = model.pos[1] - model.startPos[1];
  let rangeRemaining = model.range - Math.hypot(dx, dy);
  let velMult = 1 - Math.max(0, Math.min(1, dt * velMag / rangeRemaining));
  
  model.pos[0] += model.vel[0] * dt;
  model.pos[1] += model.vel[1] * dt;
  model.vel[0] *= velMult;
  model.vel[1] *= velMult;
  
  fpsElem.textContent = `dms: ${dms.toFixed(2)}`;
  
  // Reset once the velocity has multiplied nearly to 0
  if (velMag < 0.05) {
    reset({
      startMs: ms,
      
      // Note that without `Math.round` results will be *visually* inaccurate
      // This is simply a result of css truncating floats in some cases
      range: Math.round(50 + Math.random() * 300),
      vel: 600 + Math.random() * 1200,
      ang: Math.random() * 2 * Math.PI
    });
  }
    
};
(async () => {
  while (true) {
    await new Promise(r => window.requestAnimationFrame(r));
    if (destabilizeElem.classList.contains('active')) {
      await new Promise(r => setTimeout(r, Math.round(Math.random() * 100)));
    }
    frame();
  }
})();

html, body {
  position: absolute;
  left: 0; right: 0; top: 0; bottom: 0;
  overflow: hidden;
}
.origin {
  position: absolute;
  overflow: visible;
  left: 50%; top: 50%;
}
.model {
  position: absolute;
  width: 30px; height: 30px;
  margin-left: -15px; margin-top: -15px;
  border-radius: 100%;
  box-shadow: 0 0 0 2px rgba(200, 0, 0, 0.8);
}
.model::before {
  content: ''; position: absolute; display: block;
  left: 50%; top: 50%;
  width: 4px; height: 4px; margin-left: -2px; margin-top: -2px;
  border-radius: 100%;
  box-shadow: 0 0 0 2px rgba(200, 0, 0, 0.8);
}
.range {
  position: absolute;
  width: 100px; height: 100px;
  margin-left: -50px; margin-top: -50px;
  border-radius: 100%;
  box-shadow: 0 0 0 2px rgba(200, 0, 0, 0.5);
}
.fps {
  position: absolute;
  right: 0; bottom: 0;
  height: 20px; line-height: 20px;
  white-space: nowrap; overflow: hidden;
  padding: 10px;
  font-family: monospace;
  background-color: rgba(0, 0, 0, 0.1);
}
.destabilize {
  position: absolute;
  right: 0; bottom: 45px;
  height: 20px; line-height: 20px;
  white-space: nowrap; overflow: hidden;
  padding: 10px;
  font-family: monospace;
  box-shadow: inset 0 0 0 4px rgba(0, 0, 0, 0.1);
  cursor: pointer;
}
.destabilize.active { box-shadow: inset 0 0 0 4px rgba(255, 130, 0, 0.9); }

<div class="origin">
  <div class="model"></div>
  <div class="range"></div>
</div>
<div class="destabilize">Destabilize</div>
<div class="fps"></div>

这里的技巧是根据帧率实时调整制动。

在离散模型中，在每个 secsPerStep 之后 position 增加 velocity，然后 velocity 乘以某个 brakingFactor，并且有一些要实现的目标 distance，我们知道：

brakingFactor = 1 - constantSecsPerStep * initialVelocity / distance

这当然只有在 constantSecsPerStep 始终不变的情况下才有效。对于不同的 secsPerStep，我使用了这个公式：

updatedBrakingFactor = 1 - durationOfCurrentTick * currentVelocity / remainingDistance

听起来您想要我称之为“纯粹”的解决方案，其中没有明确的“议程”来确定减速对象将捕捉到的位置（不应存在诸如“预期目的地”之类的数据）。不幸的是，我声称至少必须有一些数据来建立这个议程，并且该模型没有经历一些任意的运动。 updatedBrakingFactor 公式需要知道 remainingDistance，而不是初始距离。需要有数据来推导（在代码中我决定存储模型的“开始位置”，但也可以使用“开始时间”）。

请注意，在数学上，模型的速度永远不会完全变为 0 - 因此需要启发式方法来近似模型何时“到达”。我选择等待瞬时速度低于某个小阈值。

Answer 5

简短回答： a = e**(-v0*dt/d)，其中 d 是您的距离，a 是衰减常数，dt 每帧时间和 {{ 1}} 初始速度。

为什么？ 您给出的算法是指数衰减。如果要这样做，就不能使用this answer中的匀加速方程。每帧 v0 处的隐式公式 v[n] = v[n-1] * a（例如 a=0.9 和 v[0] = 1.0）可以明确写为 n。或者在时间 v = v0*a**(n) 为 t 方面更好，其中 v = v0*a**(t/dt)（每秒帧数）和 dt = 1/fps (t = n*dt)。注意：这永远不会是 0！然而，行进对象仍然行进了有限的距离。行进的距离 n = 1, 2, 3, .... 是该函数的积分：d。一段时间后，对象将接近d = v0*dt * a**t / ln(a)。求解 -v0*dt/ln(a) 给出了上述结果。

注意：这是一个分析结果，您的数字结果将接近该结果。

Answer 6

您可以使用您建议的公式 velocity *= r 来实现您的目标。但是，从理论上讲，它需要无限的时间让您的对象行进您想要的距离 d，因为使用连续乘法，速度实际上永远不会达到零。实际上，在达到您的值可以认为大于零的最低值后，它会达到零，但也需要很多时间。
要获得您需要的值 r，从速度 V0 开始并假设帧的时间间隔为 ms，值 r 可以计算为：

r = 1 - V0 * ms / D;

还有另一种选择，每帧将速度降低一个常数值dv，这个值可以计算为：

dv = ms * Math.pow(V0, 2) / (2 * D - ms * V0);

第二种情况的行进距离可能并不总是 D，只有当值 2 * D / ms / V0 是整数时才会发生这种情况。否则物体会移动一段额外的距离，如果速度变为负值，你必须确保停止运动，你可以在最后一步修改速度来解决这个问题。

数学细节可以在my answer to that question中找到。

根据速度和网格计算减速度

6 个答案: