Simulación de física de JavaScript

Modifica y explica una simulación de canicas de JavaScript.

Puedes consultar un modelo directamente y probar los resultados que se muestran cuando usas valores de parámetros diferentes con la consola de Cloud o con una llamada directa a la API de Vertex AI.

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Tengo este código de JavaScript que simula canicas que caen:

const canvas = document.getElementById('simulationCanvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');

const marbles = [];
const obstacles = [];

const gravity = 0.1; // Adjust this value to change the speed of the simulation
const friction = 0.99;
const restitution = 0.8;

class Marble {
  constructor(x, y, radius, color) {
    Object.assign(this, { x, y, radius, color });
    this.dx = (Math.random() - 0.5) * 2;
    this.dy = 0;
  }

  draw() {
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(this.x, this.y, this.radius, 0, Math.PI * 2);
    ctx.fillStyle = this.color;
    ctx.fill();
    ctx.closePath();
  }

  update() {
    // Apply gravity to the vertical velocity
    this.dy += gravity; 
    // Apply friction to the horizontal velocity
    this.dx *= friction;
    // Update the marble's position based on its velocity
    this.x += this.dx; 
    this.y += this.dy; 

    // Check for collisions with the bottom of the canvas
    if (this.y + this.radius > canvas.height) {
      // Keep the marble within the canvas boundaries
      this.y = canvas.height - this.radius;
      // Reverse the vertical velocity and apply restitution for bouncing effect
      this.dy = -this.dy * restitution; 
    }

    // Check for collisions with the sides of the canvas
    if (this.x + this.radius > canvas.width || this.x - this.radius < 0) {
      // Reverse the horizontal velocity to make the marble bounce off the walls
      this.dx = -this.dx; 
    }

    // Check for collisions with obstacles
    obstacles.forEach(obstacle => {
      const { normalX, normalY, isColliding, penetrationDepth } = obstacle.checkCollision(this.x, this.y, this.radius);
      if (isColliding) {
        // Calculate the dot product of the velocity and the collision normal
        const dotProduct = this.dx * normalX + this.dy * normalY;
        // Reflect the velocity vector off the surface normal
        this.dx -= 2 * dotProduct * normalX; 
        this.dy -= 2 * dotProduct * normalY;
        // Apply restitution to the reflected velocity
        this.dx *= restitution; 
        this.dy *= restitution; 
        // Resolve the collision by moving the marble outside of the obstacle
        this.x += normalX * penetrationDepth; 
        this.y += normalY * penetrationDepth; 
      }
    });

    this.draw();
  }
}

class Obstacle {
  constructor(x, y, width, height, angle, color) {
    Object.assign(this, { x, y, width, height, angle, color });
  }

  draw() {
    ctx.save();
    ctx.translate(this.x + this.width / 2, this.y + this.height / 2);
    ctx.rotate(this.angle * Math.PI / 180);
    ctx.fillStyle = this.color;
    ctx.fillRect(-this.width / 2, -this.height / 2, this.width, this.height);
    ctx.restore();
  }

  checkCollision(mx, my, mr) {
    const cos = Math.cos(-this.angle * Math.PI / 180);
    const sin = Math.sin(-this.angle * Math.PI / 180);
    const dx = mx - (this.x + this.width / 2);
    const dy = my - (this.y + this.height / 2);
    const localX = cos * dx - sin * dy + this.width / 2;
    const localY = sin * dx + cos * dy + this.height / 2;
    const closestX = Math.max(0, Math.min(this.width, localX));
    const closestY = Math.max(0, Math.min(this.height, localY));
    const distanceX = localX - closestX;
    const distanceY = localY - closestY;
    const distance = Math.sqrt(distanceX * distanceX + distanceY * distanceY);

    const isColliding = distance < mr;
    const normalX = cos * distanceX / distance + sin * distanceY / distance;
    const normalY = -sin * distanceX / distance + cos * distanceY / distance;
    const penetrationDepth = mr - distance;

    return { normalX, normalY, isColliding, penetrationDepth };
  }
}

for (let i = 0; i < 10; i++) {
  const radius = 10;
  const x = Math.random() * (canvas.width - radius * 2) + radius;
  const y = radius;
  const color = 'blue';
  marbles.push(new Marble(x, y, radius, color));
}

obstacles.push(new Obstacle(100, 500, 150, 20, -20, 'black'));
obstacles.push(new Obstacle(600, 400, 150, 20, -20, 'black'));
obstacles.push(new Obstacle(200, 200, 100, 20, 45, 'black'));
obstacles.push(new Obstacle(400, 150, 120, 20, -45, 'black'));
obstacles.push(new Obstacle(500, 500, 200, 20, 15, 'black'));
obstacles.push(new Obstacle(800, 300, 150, 20, -15, 'black'));

function animate() {
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  marbles.forEach(marble => marble.update());
  obstacles.forEach(obstacle => obstacle.draw());
  requestAnimationFrame(animate);
}

animate();

Respuesta

Este código es un buen punto de partida para una simulación de canicas. Sin embargo, hay algunas áreas en las que se pueden realizar mejoras en términos de eficiencia, precisión y solidez:

1. Detección de colisiones ineficiente: La detección de colisiones actual con obstáculos verifica todos los obstáculos de cada canica en cada fotograma. Para una gran cantidad de canicas y obstáculos, esto se vuelve costoso en términos de procesamiento. Una estructura de datos de partición espacial, como un cuadrángulo o una cuadrícula, mejoraría significativamente el rendimiento.

2. Posibilidad de desbordamiento de pila (recursión): Si bien no está presente directamente en este código, la resolución de colisión recursiva (en la que una canica choca con varios obstáculos de forma simultánea) podría provocar un desbordamiento de pila si no se controla con cuidado. El enfoque iterativo actual es más seguro.

3. Respuesta de colisión imprecisa: La respuesta de colisión usa una reflexión simple basada en el vector normal. Esto funciona bastante bien para formas simples, pero puede generar imprecisiones y parpadeos, especialmente cuando las canicas chocan entre sí o en ángulos pronunciados. Un enfoque más sólido implicaría una resolución de colisión basada en el impulso, que considera las masas y las velocidades de los objetos que chocan.

4. Falta de colisiones entre canicas: Actualmente, la simulación solo controla las colisiones entre canicas y obstáculos. Agregar la detección y resolución de colisiones entre mármoles haría que la simulación fuera más realista.

5. Falta el elemento canvas: El código supone que existe un elemento de lienzo con el ID simulationCanvas en el código HTML. Debes incluir esto en tu archivo HTML.

Esta es una versión mejorada que aborda algunos de estos problemas:

const canvas = document.getElementById('simulationCanvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');

const gravity = 0.1;
const friction = 0.99;
const restitution = 0.8;

class Marble {
  constructor(x, y, radius, color) {
    Object.assign(this, { x, y, radius, color });
    this.dx = (Math.random() - 0.5) * 2;
    this.dy = 0;
    this.mass = 1; // Add mass for more realistic collisions
  }

  // ... (draw method remains the same) ...

  update() {
    this.dy += gravity;
    this.dx *= friction;
    this.x += this.dx;
    this.y += this.dy;

    this.handleCollisions();
    this.draw();
  }

  handleCollisions() {
    // Bottom collision
    if (this.y + this.radius > canvas.height) {
      this.y = canvas.height - this.radius;
      this.dy = -this.dy * restitution;
    }

    // Side collisions
    if (this.x + this.radius > canvas.width || this.x - this.radius < 0) {
      this.dx = -this.dx * restitution;
    }

    // Obstacle collisions (iterative approach)
    obstacles.forEach(obstacle => {
      const collisionData = obstacle.checkCollision(this.x, this.y, this.radius);
      if (collisionData.isColliding) {
        this.resolveCollision(collisionData);
      }
    });
  }

  resolveCollision(collisionData) {
    const { normalX, normalY, penetrationDepth } = collisionData;
    const dotProduct = this.dx * normalX + this.dy * normalY;
    this.dx -= 2 * dotProduct * normalX * restitution;
    this.dy -= 2 * dotProduct * normalY * restitution;
    this.x += normalX * penetrationDepth;
    this.y += normalY * penetrationDepth;
  }
}

class Obstacle {
  // ... (Obstacle class remains largely the same) ...
}

// ... (marble and obstacle creation remains the same) ...

function animate() {
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  marbles.forEach(marble => marble.update());
  obstacles.forEach(obstacle => obstacle.draw());
  requestAnimationFrame(animate);
}

animate();

Recuerda incluir el elemento <canvas id="simulationCanvas"></canvas> en tu archivo HTML. Esta versión mejorada agrega masa a las canicas y simplifica un poco la resolución de colisiones. Para funciones más avanzadas (colisiones de mármol a mármol, particiones espaciales), deberás implementar algoritmos más complejos. Considera investigar técnicas como la detección de colisiones de fase amplia y de fase estrecha para obtener un mejor rendimiento con muchos objetos.

Modelo: gemini-1.5-flash-002
Temperatura: 0.2
Cantidad máxima de tokens de salida: 8192
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