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水波图实现原理

在项目中自己使用 Canvas 实现了一下水波图,在这里给大家分享一下它的实现原理。 一开始看到波浪,可能不知道从何入手,我们来看看波浪的特征就会有灵感了。

没错,有人肯定会想到,就是 正余弦曲线!对于波陡很小的波动,一般选择正弦或余弦的曲线来表示波形,这是最简单而又最接近实际波形的表述。这里我选择了正弦曲线来实现。

在讲实现思路之前,我们来回忆一下正弦曲线的基础。

正弦曲线

正弦曲线公式:y = A sin(Bx + C) + D

振幅是 A,A 值越大,曲线更陡峭:

周期是 2π/B,B 值大于 1 时,B 值越大,周期越短,B 值小于 1 大于 0 时,周期变长:

相移是 −C/B,在 B 不变的情况,C 为正值时,曲线向左移动,C 为负值时,曲线向右移动:

垂直位移是 D,控制曲线上下移动:

实现思路

了解了正弦曲线的一些属性,我们可以把这些属性来控制波浪,

  • 振幅:控制波浪的高度
  • 周期:控制波浪的宽度
  • 相移:控制波浪的水平移动
  • 垂直位移:控制水位的高度

动画效果的实现主要是利用相移,通过不断水平移动曲线,产出波浪移动的感觉,然后可以绘制多条曲线,曲线之间通过控制属性(高度、宽度、移动速度),产生视觉差,就会有波浪起伏的感觉了。

有了这些思路,我们来慢慢实现。

曲线绘制

初始化,定义 Canvas 的宽高:

componentDidMount() {
  const self = this;
  const canvas = this.refs.canvas;
  canvas.height = 500;
  canvas.width = 500;
  this.canvas = canvas;
  this.canvasWidth = canvas.width;
  this.canvasHeight = canvas.height;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  this.drawSin(ctx);
}
render() {
  return (
    <div className="content page">
      <canvas ref="canvas"></canvas>
    </div>
  );
}
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根据定义波浪的参数配置,通过公式: y = 波浪高度 * sin(x * 波浪宽度 + 水平位移),来绘制正弦曲线:

drawSin(ctx) {
  const points = [];
  const canvasWidth = this.canvasWidth;
  const canvasHeight = this.canvasHeight;
  const startX = 0;
  const waveWidth = 0.05; // 波浪宽度,数越小越宽
  const waveHeight = 20; // 波浪高度,数越大越高
  const xOffset = 0; // 水平位移

  ctx.beginPath();
  for (let x = startX; x < startX + canvasWidth; x += 20 / canvasWidth) {
    const y = waveHeight * Math.sin((startX + x) * waveWidth + xOffset);
    points.push([x, (canvasHeight / 2) + y]);
    ctx.lineTo(x, (canvasHeight / 2) + y);
  }
  ctx.lineTo(canvasWidth, canvasHeight);
  ctx.lineTo(startX, canvasHeight);
  ctx.lineTo(points[0][0], points[0][1]);
  ctx.stroke();
}
复制代码

曲线绘制完,这时曲线是静态的,如何让它动起来?前面思路提到,可以通过不断改变水平偏移(xOffset),让曲线水平移动,即可产生动态的效果。

componentDidMount() {
  ...
  this.xOffset = 0;  // 初始偏移
  this.speed = 0.1;  // 偏移速度
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this, canvas));
}

draw() {
  const canvas = this.canvas;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  // 曲线绘制
  this.drawSin(ctx, this.xOffset);
  this.xOffset += this.speed;
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this));
}

drawSin(ctx, xOffset = 0) {
  ...
}
复制代码

球型绘制

现在我们雏形已经出来了,曲线和动态效果已经实现,上面可以看成是水装在一个长方体上,如果让水装在一个球体上? 这里我们用到了 Canvas 的 clip() 方法来定义剪切区域,定义了剪切区域后,浏览器会将所有的绘图操作都限制在本区域内执行,所以我们可以先画一个圆,定义后面绘制的区域只能在这个圆的区域内,超出部分就不显示,这样就能形成浪在一个球体中的效果了。

draw() {
  ...
  if (!this.isDrawCircle) {
    this.drawCircle(ctx);
  }
  this.drawSin(ctx, this.xOffset);
  this.xOffset += this.speed;
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this));
}

drawCircle(ctx) {
  const r = this.canvasWidth / 2;
  const lineWidth = 5;
  const cR = r - (lineWidth);
  ctx.lineWidth = lineWidth;
  ctx.beginPath();
  ctx.arc(r, r, cR, 0, 2 * Math.PI);
  ctx.stroke();
  ctx.clip();
  this.isDrawCircle = true;
}
复制代码

水位控制

是不是有点感觉了,目前还差一点,就是控制水位,也就是映射到数据的百分比。前面如果有留意的话,会发现 正弦曲线 y 坐标的计算,最后会加上 canvasHeight / 2 ,其实这里就是设置水位了。 我们来看看:y = A sin(Bx + C) + D,曲线的高度有 A 和 D 决定,A 控制波浪的高度,实际水位还是由 D 来控制。 水位的高度,在可视化上含义就是数据的百分比,假设目前的百分比80%,水位的高度就 canvasHeight * 0.8,映射到坐标系统 y 的坐标就是 canvasHeight * (1 - 0.8)。(坐标原点在左上角)。 在动画效果上除了正弦曲线的水平移动,我们加上水位上升的动效:

componentDidMount() {
  ...
  this.xOffset = 0;
  this.speed = 0.1;
  // 水位数值
  this.rangeValue = 0.6;
  // 初始水位
  this.nowRange = 0;
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this, canvas));
}

draw() {
  ...
  this.drawSin(ctx, this.xOffset, this.nowRange);
  this.xOffset += this.speed;
  if (this.nowRange < this.rangeValue) {
    this.nowRange += 0.01;
  }
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this));
}

drawCircle(ctx) {
  ...
}

drawSin(ctx, xOffset = 0, nowRange = 0) {
  ...
  for (let x = startX; x < startX + canvasWidth; x += 20 / canvasWidth) {
    const y = waveHeight * Math.sin((startX + x) * waveWidth + xOffset);
    points.push([x, (1 - nowRange) * canvasHeight + y]);
    ctx.lineTo(x, (1 - nowRange) * canvasHeight + y);
  }
  ...
}
复制代码

最终效果

最后我们加上颜色,再加多一条正弦曲线,就会有波浪起伏的感觉了。

在上面球型绘制的时候,我们用到剪切区域的方法来实现,有些人肯定会想到,这时我不用圆去裁切,而是用其他形状,就可以创造出水在各种容器的效果了。

源代码:github.com/beyondxgb/w…

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