基于 HTML5 Canvas 的病毒模拟视觉试验台

前言

　　2020 年 1 月 12 日，世界卫生组织以武汉病毒肺炎病例命名了一种病毒，2019新型冠状病毒 ( 2019-nCoV ) 。随着春运的到来，该病毒迅速的蔓延开来，大家都唯恐避之不及。病毒的爆发并不单单只有中国这人口大国，纵观整个地球，2020 年，还有很多国家也在“水深火热”中努力进行着“自救”。美国，近几个月来爆发了非常致命的流感--乙型流感病毒，据相关数据统计，到目前为止全美范围已经有超 1300 万人感染了该病毒， 12 万人住院治疗，死亡人数可能高达 6600 多人；波兰，2019 年 12 月 31 日至 2020 年 1 月 4 日，该国卢布林省和大波兰省发生 8 起 H5N8 亚型高致病性禽流感，此次疫情可能导致多达 4 万只禽类被宰杀，方圆3公里多达 35 万只家禽受到威胁；中国，农业农村新闻办公室 2 月 1 日发布，湖南省邵阳市双清区发生一起家禽 H5N1 亚型高致病性禽流感疫情，养殖户存栏肉鸡 7850 只，发病死亡 4500 只，疫情发生后，当地按照有关预案和防治技术规范要求切实做好疫情处置工作，已扑杀家禽 17828 只，全部病死和扑杀家禽均已无害化处理......在病毒面前，人类真的很脆弱，此次新型冠状病毒虽然致死率低，但传染性极强，如果传播过程中发生了可怕的变异，导致致死率提升，那么造成的后果难以估量。如果大家早期能够认识到病毒的危害，提高自我防范意识，那么就能有效的控制疫情的蔓延。此次春节在家，发现大多数的长辈都对此次疫情不以为然，依旧到处串门喝茶聊天，进出人群密集的地方时，不戴口罩，多番劝阻无果，很是无奈，依旧有部分人不了解病毒的危害。此篇文章就以 HIV 病毒为例，采用 2/3D 结合的可视化效果，直观展示病毒的微观世界。补充说明：人类免疫缺陷病毒 ( Human Immunodeficiency Virus;abbe:HIV )，即艾滋病 ( AIDS，获得性免疫缺陷综合征) 病毒，属逆转录病毒的一种。

demo： http://www.hightopo.com/demo/hiv-test-bed/

效果图：

1.HIV 活性实验台

该模块主要模拟在不同环境不同试剂的情况下，病毒活性的变化。

功能点1：左侧为实验控制台，可拖拽其值进度条来改变数值，通过一定的计算公式进而去动态修改 3D 场景中病毒的活性面板的相关显示值。

功能实现：监听 2D 图纸的交互器，在图元拖拽中进行去进行相关参数值的修改（ addInteractorListener，简写为 mi ），接着通过模型中 Data 元素属性变化监听器（ addDataPropertyChangeListener，简写为 md ）去监听每一次参数的变化，然后通过一定的计算公式去计算活性面板的最终显示值，最后以数据驱动方式去修改活性面板的数据。

主要代码：

this.operator = { temperature: 60, humidity: 60, time: 25, sorbitol: 35, FBS: 50 }
// 温度、湿度、时间、山梨醇、胎牛血清
this.g2d.dm().md(handleInterActivePanel, this);
function handleInterActivePanel(e) {
    // 温度、湿度、时间、山梨醇、胎牛血清
    if (this.operator.hasOwnProperty(e.data.getTag()) && e.property === 'a:value') {
        this.operator[e.data.getTag()] = e.newValue;
        const operator = this.operator;
        let node = this.g3d.dm().getDataByTag('activePanel');
        let dataSource = node.a('dataSource');
        let calc = [
            {
                value: parseFloat((100
                    * (1 - operator.temperature / 100)
                    * (1 - operator.time / 60)
                    * (1 - operator.sorbitol / 100)
                    * (1 - operator.FBS / 100)
                    * (operator.humidity / 100)
                ).toFixed(2))
            },
            {
                value: parseFloat((90
                    * (1 - operator.temperature / 100)
                    * (1 - operator.time / 60)
                    * (1 - operator.sorbitol / 100)
                    * (1 - operator.FBS / 100)
                    * (operator.humidity / 100)
                ).toFixed(2))
            },
            {
                value: parseFloat((60
                    * (1 - operator.temperature / 100)
                    * (1 - operator.time / 60)
                    * (1 - operator.sorbitol / 100)
                    * (1 - operator.FBS / 100)
                    * (operator.humidity / 100)
                ).toFixed(2))
            },
            {
                value: parseFloat((10
                    * (operator.temperature / 100)
                    * (operator.time / 60)
                    * (operator.sorbitol / 100)
                    * (operator.FBS / 100)
                    * (1 - operator.humidity / 100) + 0.01
                ).toFixed(2))
            },
        ]
        dataSource = dataSource.map((i, index) => {
            return {
                rising: i.value > calc[index].value,
                value: calc[index].value,

            }
        })
        node.a('dataSource', []);
        node.a('dataSource', dataSource);
    }
}

功能点2：放大镜查看。

功能实现：根据放大镜左侧倍数控制器的值去动态设置放大镜中图元的缩放值。

主要代码：

// 获取病毒图元
this._virusNode = virus2D.dm().getDataByTag('virusNode');
// 对图元进行缩放
function setScale(value) {
    this._virusNode.setScale(value, value);
}
this.g2d.dm().mp(function (e) {
    if (e.property === "a:virusScale") {
        if (this.virus2D) {
            setScale(e.newValue);　　　　　　　this._virusNode.setScale(value, value);

} } }, this);

功能点3：病毒成分剖面示意图及其 RNA 链。 2D 及 3D 的效果展示，使微观病毒更加具象化，帮助人们更加清晰的认识病毒。

功能点4： 3D 场景中病毒的呼吸效果。

功能实现：使用 HT 的动画功能，不断的去设置病毒图元自身的缩放值。

主要代码：

let params = {
    duration: 10000, // 动画周期毫秒数，默认采用`ht.Default.animDuration`
    easing: (t) => { return t }, // 动画缓动函数，默认采用`ht.Default.animEasing`
    action: (v, t) => {
        this.virus.forEach((i, index) => {
            let count = 0;
            if (i.a('count')) {
                count = i.a('count');
            } else {
                count = 0;
            }
            count += 0.5;
            let scale = this.virusScales[index] +
                0.1 *
                Math.cos(
                    (((count % 36) * Math.PI) / 180) * 10 +
                    ((360 / this.virus.length) * index * Math.PI) /
                    180
                );
            i.eachChild(data => {
                data.setScale3d(scale, scale, scale);
            });
            i.a('count', count)
        })
    },
    finishFunc: () => {
        if (this._continuous) {
            this.breating();
        }
    }, // 动画结束后调用的函数。
}
this.anim = ht.Default.startAnim(params);

2.免疫系统侵入演示

动画步骤描述：

① 病毒侵入，免疫激活
开始：场景中只有三个白细胞（两个小的白细胞离大号的较远）；
过程：病毒渐显（粉色颗粒，上面无附着抗体标记）；
结束：场景中只存在三个白细胞和病毒
② 白细胞释放趋化因子和增值化学物质
开始：场景中有三个白细胞和六个病毒；
过程：趋化因子从大号白细胞内部释放出来，渐显，而后另外两个白细胞向大号靠近到一定距离，然后趋化因子渐隐消失
结束：场景中存在三个白细胞（两个小的白细胞靠近大号的）、六个病毒
③ 白细胞产生抗体标记靶向细菌/病毒
开始：场景中有三个白细胞（两个小的白细胞靠近大号的）和六个病毒；
过程：抗体标记从大号白细胞里渐显飞出，最后附着在病毒上，此时出现提示面板（内容：病毒/细菌被白细胞标记抗体），最后面板渐隐
结束：场景中存在三个白细胞（两个小的白细胞靠近大号的）、六个病毒和抗体标记（附着在病毒上）
④ 白细胞吞噬靶向细胞/病毒
开始：场景中存在三个白细胞（两个小的白细胞靠近大号的）、六个病毒和抗体标记（附着在病毒上）
过程：大号白细胞出现提示面板（内容：白细胞被吸引到标记抗体处，面板渐显渐隐后，大号白细胞移动至四个病毒区域，二号白细胞移动至两个病毒区域，三号朝病毒区域中心移动轻微移动一小段，稍微停顿后，白细胞恢复初始位置，病毒、抗体标记消失
结束：场景中只存在三个白细胞
⑤ HIV 病毒侵入进入白细胞
开始：场景中存在三个白细胞
过程：出现几个病毒，然后HIV病毒渐显，再然后进入到一号白细胞内部
结束：场景中存在三个白细胞，一个 HIV 病毒，两三个粉色病毒
⑥ HIV 病毒在白细胞内复制，白细胞死亡
开始：场景中存在三个白细胞，一个 HIV 病毒（在一号白细胞内部），两三个粉色病毒
过程：HIV 病毒开始复制（体现在数量增多），然后三个白细胞同时缩小到原来的一半
结束：场景中存在三个白细胞（体积缩小），三个 HIV 病毒
⑦ HIV 病毒跑出，细菌增生免疫系统破坏成功
开始：场景中存在三个白细胞（体积缩小），三个 HIV 病毒
过程：HIV病毒跑出一号白细胞，同时白细胞渐隐直至消失，而后粉色病毒增多
结束：场景中只存在三个 HIV 病毒，多个粉色病毒

动画实现：ht.Default.startAnim 的动画函数，示例代码如下：

ht.Default.startAnim({
    frames: 12, // 动画帧数
    interval: 10, // 动画帧间隔毫秒数
    easing: function(t){ return t * t; }, // 动画缓动函数，默认采用`ht.Default.animEasing`
    finishFunc: function(){ console.log('Done!') }, // 动画结束后调用的函数。
    action: function(v, t){ // action函数必须提供，实现动画过程中的属性变化。
 　　...
    }
});

除了以上动画外，该模块还新增了两个控制项：控制动画播放速度（修改动画的 duration 参数值）及 3D 场景的视角（修改 eye）。

实现代码：

function getPositionByZoom(arr, zoom) {
    return [arr[0] * zoom, arr[1] * zoom, arr[2] * zoom];
}
this.g2d.dm().mp(function (e) {
    if (e.property === 'a:stepIndex') {
        // 做演示动画
        this.stepIndex = e.newValue;
        this['anim' + (e.newValue + 1)]();
    } else if (e.property === 'a:screenZoom') {
        let value = e.newValue;
        if (this._eye) {
            let newEye = getPositionByZoom(this._eye, value);
            this.g3d.setEye(newEye);
        }
    } else if (e.property === 'a:playSpeed') {
        this.speed = 1 / e.newValue;
    }
})

3.药物抑制原理演示

　　该模块主要演示生物酶抑制剂和化学消毒/去污药剂对病毒活性的影响。通过改变试剂的用量来模拟计算出病毒的活性率、复制速度、感染性、突变几率。

　　动画演示中涉及的 3D 图元的位移方法。通过绘制一条管道轨迹线来实现。

// 偏移动画
let g3d = this.g3d;
let params = {
    frames: 100, // 动画帧数
    interval: 30, // 动画帧间隔毫秒数
    easing: (t) => { return t }, // 动画缓动函数，默认采用`ht.Default.animEasing`
    action: (v, t) => {
        let pipe;
        this.moveNodes.forEach((i, index) => {
            if (index < 2) {
                pipe = this.pipe1;
            } else {
                pipe = this.pipe2;
            }
            let length = g3d.getLineLength(pipe),
                offset = g3d.getLineOffset(
                    pipe,
                    length * t
                ),
                point = offset.point,
                px = point.x,
                py = point.y,
                pz = point.z,
                tangent = offset.tangent,
                tx = tangent.x,
                ty = tangent.y,
                tz = tangent.z;
            i.p3(px, py, pz);
            i.lookAt([px + tx, py + ty, pz + tz], 'right');
            i.a('angle', t * Math.PI * 120);
        })
    },
    finishFunc: () => {
        if (this._continuous) {
            this.move();
        }
    }, // 动画结束后调用的函数。
}
this.anim = ht.Default.startAnim(params);

　　现在新型冠状病毒愈演愈烈，感染的人越来越多，但是很多人尤其是中老年人还没有意识到严重性，依然坚持过完年要走亲访友的观念，这走走那串串。为了避免感染新型冠状病毒，如何劝说家人不走亲访友呢？今天就来跟大家分享下。

1.告诉家人目前新型冠状病毒疫情的最新情况，告诉他们每天有多少病例增加，让他们意识到疫情的传播速度很快，很容易被感染的，如果出去走亲访友，被传染的概率会增加。

2.单纯的数字可能他们还不以为然，认为全国十几亿人口，自己“中奖几率”很低，没啥概念，这时候我们可以给他们看看更为直观的疫情地图。（ http://www.hightopo.com/demo/coronavirus/ ）这里面有每天最新的可视化数据，帮助大家更为直观了解当前疫情蔓延的分布趋势。

3.新闻报道！一般中老年人更相信电视上的新闻，让他们了解病毒的严重性，从而打消出门走亲访友的念头。

4.药店的相关预防药物及医用口罩等已经卖空了，让他们知道周围的人都已经在进行自身防护了，建立家人自身防范的意识，从而自觉放弃走亲访友。

5.告知各地封村封路的消息，让他们知道疫情的严重性。

6.给他们看些硬核标语。

• 口罩还是呼吸机，您老看着二选一；
• 发烧不说的人，都是潜伏在人民群众中的阶级敌人；
• 老实在家防感染，丈人来了也得撵；
• 今年过年不串门，来串门的是敌人，敌人来了不开门；
• 串门就是互相残杀，聚会就是自寻短见；
• 现在请吃饭的都是鸿门宴
• ......

　　这个春节，一场突如其来的疫情防控阻击战，在中华大地骤然打响，这是一场没有硝烟的战争，无论是医护人员，还是基础工作者，他们在疫情爆发的那一刻，就拿起了“武器”奔赴“战场一线”。病毒并不会因为他们是医护人员而“网开一面”，岁月静好，是因为有人在为我们负重前行，感谢那些在疫情中为我们奔赴前行的人，在疫情面前，我们没有一个人能置身事外。“宅”在家，这是对自己负责，对他人负责，更是对社会、对国家最大的支持。中华儿女从不畏惧任何困难，不会退缩，我们坚信这场战争我们肯定能赢，也必须要赢。