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canvas 基础及实现贝塞尔曲线动画

在刚学习前端知识的时候,相信不少人会对 canvas 感兴趣。有的人偏向于用 canvas 实现酷炫的动画或者小游戏,有的人偏向于实现业务需求(分享页面转图片之类的),当然也有的人会有一些骚操作(将网页用 canvas 实现,传输数据加密,这样很难抓取数据)。
也许你现在没有接触过 canvas,正好可以和我一起学习;也许你早就将 canvas 玩出了花,那更希望你能指教下。

canvas 基础篇

1、canvas 样式设置

canvas 基于像素,默认设置的宽高是 300px/150px,和 img 标签表现很类似,用 CSS 设置宽高相当于改变这张图片的宽高缩放比;而用 JS 改变宽高,实际是设置 canvas 上的像素。如果 CSS 设置的宽高比和 JS 设置的宽高比不同,canvas 的图像就会变形。

<body>
  <canvas id="canvasId"></canvas>
</body>
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const cvs = document.getElementById("canvasId");
const ctx = cvs.getContext("2d");
let w = 600;
let h = 600;
cvs.width = w;
cvs.height = h; // canvas 画布实际由 600x600 的像素构成
cvs.style.width = '300px';
cvs.style.height = '300px'; // 在页面中实际显示的宽高只有 300x300
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2、canvas 绘制

canvas 绘制的坐标原点 (0, 0) 在左上角,所有绘制的图形都依据这个坐标原点定位。

canvas 基础绘制方式

canvas 绘制主要有两种方式,stroke(笔画)和 fill(填充),类似于 PS 上的“笔”和“油漆桶”。
下面是两种绘制方式的具体使用:

  • 绘制线段,可以用线段拼成三角形、矩形等多边形。

    ctx.beginPath(); // 创建路径,绘制一个新的路径时,一定要 beginPath()
    ctx.moveTo(x, y); // 起始点
    ctx.lineTo(x1, y1); // 目标点
    ctx.closePath(); // 闭合路径
    ctx.stroke(); // 笔画绘制
    ctx.fill(); // 填充
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    ctx.beginPath;
    ctx.moveTo(10, 10);
    ctx.lineTo(10, 100);
    ctx.lineTo(100, 100);
    ctx.closePath(); // 会闭合上面的路径,最终形成一个三角形
    ctx.stroke();
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    stroke() 和 fill() 在只有两个坐标不同点时,都是绘制一条线段;如果有 3 个或更多的坐标不同点时,stroke() 绘制的依然是线,而 fill() 会填充内容。 示例:

  • 绘制矩形。

    // 绘制边框矩形
    ctx.strokeRect(x, y, width, height);
    
    // 绘制填充矩形
    ctx.fillRect(x, y, width, height);
    
    // x、y:起点坐标,width、height:矩形宽高
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    示例:

  • 绘制圆、圆弧、弧形。

    ctx.arc(x, y, r, start, end, bol);
    // x、y 为圆心坐标,r 为半径,start 为开始弧度,end 为结束弧度,bol:true 表示逆时针,false 表示顺时针(默认)
    
    ctx.arcTo(x1, y1, x2, y2, r);
    // x1、y1、x2、y2,两个控制点的坐标
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    for(let i = 1; i <= 4; i++) {
      for(let j = 1; j <= 4; j++) {
        let bol = j > 2;
        let bol1 = j % 2 !== 0; 
        ctx.beginPath();
        ctx.arc(50 * i, 50 * j , 20, 0, Math.PI / 2 * i, bol);
        bol1 ? ctx.stroke() : ctx.fill();
      }
    }
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    示例:

  • 绘制文本。

    ctx.strokeText(text, x, y, max);
    ctx.fillText(text, x, y, max);
    
    // text:绘制文本,x、y:绘制文本的左上角点坐标,max:文本最大长度(可选)
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  • 绘制样式。上面的绘制样式都是基础的默认样式,我们再来看下调整样式的方法:

    • setLineDash() 和 lineDashOffset:调整线段的样式。

      ctx.setLineDash([length1, length2]); // length1:实线长度,length2:间隔长度
      ctx.lineDashOffset = length3; // length3:起始偏移长度
      
      
      ctx.setLineDash([10, 4]);
      ctx.lineWidth = 4;
      for(let i = 1; i < 4; i++) {
        ctx.beginPath();
        ctx.lineDashOffset = -4 + i * 2;
        ctx.moveTo(50, 40 * i);
        ctx.lineTo(250, 40 * i);
        ctx.stroke();
      }
      复制代码

      示例:

    • lineWidth:调整基础的线宽。

    • lineCap:调整线段两端的样式。

      ctx.lineCap = type;
      /* 
       * type:butt | round | square
       * butt:两端矩形
       * round:两端圆形,以线宽的一半为半径绘制半圆
       * square:两端矩形,以线宽的一半为宽绘制矩形
       * butt 这个属性实际表现为 none,不会在线两端添加样式;round 和 square 都是在线两端添加样式
       */
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    • lineJoin:调整线段之间交接处的样式。

      ctx.lineJoin = type;
      /* 
       * type:bevel | miter | round
       * bevel:交接处是三角形,类似于折纸
       * miter:交接处是菱形
       * round:交接处是圆形
       */
      复制代码

      示例:

    • strokeStyle 和 fillStyle:调整笔画和填充样式。

      ctx.strokeStyle = color;
      ctx.fillStyle = color;
      
      // color 颜色值
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    • font、textAlign、textBaseline、direction:分别调整文本的字体样式、对齐、基线和方向。(和 CSS 样式一致,这里就不做更多讨论了)

    • globalAlpha:调整 canvas 的透明度。

canvas 其他绘制方式

canvas 除了绘制基础的图形外,还能绘制图片、视频等,因为这里暂时没有用到,所以先不做讨论。

3、canvas 变形

  • translate:移动 canvas 坐标原点的位置
    ctx.translate(x, y); // 将坐标原点由 (0, 0) 移到 (x, y)
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  • rotate:旋转坐标轴
    ctx.rotate(rad); // 坐标轴顺时针转动 rad 弧度
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    (rad = Math.PI / 180 * 30:顺时针旋转 30 度角)
  • scale:缩放坐标轴
    ctx.scale(x1, y1); // 坐标轴的 x、y 轴分别缩放
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  • transform:矩阵变形(这个会涉及到线性代数的知识)
    ctx.transform(a, b, c, d, e, f);
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在上面的方法中,translate() 和 scale() 会有额外的用途,下面会讲到。

4、canvas 合成与裁剪

在绘制多个图形时,因为绘制顺序,可能会出现我们不想要的效果。当图形重叠时,就能用合成和裁剪实现额外的效果。

  • 合成
    globalCompositeOperation = type;
    
    const type = [
      'source-over',      // 默认。在目标图像上显示源图像
      'source-atop',      // 在目标图像顶部显示源图像。源图像位于目标图像之外的部分是不可见的
      'source-in',        // 在目标图像中显示源图像。只有目标图像内的源图像部分会显示,目标图像是透明的
      'source-out',       // 在目标图像之外显示源图像。只会显示目标图像之外源图像部分,目标图像是透明的
      'destination-over', // 在源图像上方显示目标图像。
      'destination-atop', // 在源图像顶部显示目标图像。源图像之外的目标图像部分不会被显示
      'destination-in',   // 在源图像中显示目标图像。只有源图像内的目标图像部分会被显示,源图像是透明的
      'destination-out',  // 在源图像外显示目标图像。只有源图像外的目标图像部分会被显示,源图像是透明的
      'lighter',          // 显示源图像 + 目标图像
      'copy',             // 显示源图像。忽略目标图像
      'xor'               // 使用异或操作对源图像与目标图像进行组合
    ];
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  • 裁剪
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(50, 50, 40, 0, Math.PI * 2);
    ctx.clip();
    ctx.fillRect(25, 25, 80, 80);
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    示例:

5、canvas 状态

当我们绘制多种类型不同的图形时,需要设置不同的样式,我们可以通过保存当前状态来避免反复设置样式。
canvas 将所有的状态保存在栈中,每次调用 save() 方法就会将当前状态保存。当我们要释放这个状态时,执行 restore() 方法,canvas 的状态就会回到上一个状态。
绘画状态如下:

  • 样式设置。
    • lineWidth, lineCap, lineJoin, miterLimit
    • strokeStyle, fillStyle
    • shadowOffsetX, shadowOffsetY, shadowBlur, shadowColor
    • globalAlpha, globalCompositeOperation
  • 变形:translate、rotate、scale
  • 裁切路径:clipping path

6、canvas 动画

接下来,我们讲下 canvas 的动画。动画常见的操作如下:

  • 用 clearRect() 清除 canvas 之前的绘制结果。例如,想要实现一个圆形的移动动画,肯定要清除之前绘制的圆形,否则看到的效果就是一连串的圆形。
  • 保存和恢复 canvas 状态。在动画开始前,应当保存一下当前的状态,避免在动画中更改状态后,引起其他图形的改变。动画结束后,应当恢复 canvas 的状态。
  • 实现动画。常用以下 3 个方法实现:
    • requestAnimationFrame():推荐方法,根据浏览器的刷新频率来实现动画
    • setTimeout()
    • setInterval()

canvas 常见问题

在使用上面的 API 练习的时候,肯定有不少人发现了 stroke() 绘制的图形有点问题。接下来,让我们聊聊 canvas 里你可能会遇到的问题。

stroke() 绘制线条变粗

用 stroke 的方式绘制矩形时,很容易发现 strokeRect() 绘制的矩形边框比默认的 1px 要宽。因为 stroke 的线以边框中心绘制,1px 的线条会被分为 0.5px 和 0.5px,浏览器不支持 0.5px 的绘制时,1px 的线会绘制为 2px 的宽度。
解决的方式:

  1. 既然 canvas 以线中心绘制,那么将绘制的起点以线中心为起点即可(最佳方式)。
    ctx.moveTo(0.5, 0.5);
    ctx.lineTo(200.5, 200.5);
    // 上面的方法要每次画线都要额外计算,略麻烦,下面的移动坐标原点更快捷
    ctx.translate(0.5, 0.5);
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  2. 缩放 canvas,通过 css 缩小 canvas 的宽高。
  3. 用 stroke 绘制矩形时,可以在里面用 fillRect() 填充背景色,但是线的颜色透明度会降一半。

canvas 在高清屏下变模糊的问题

canvas 画布在高清屏下(一个像素由多个像素点来渲染),以原来的像素点显示就会被放大。
出现场景:用 echarts 库在移动端使用 canvas 图表。 解决方案:获取设备像素比,使用 js 修改相应的高度和缩放高度。

const dpr = window.devicePixelRatio;
const cvs = document.getElementById("id");
const ctx = cvs.getContext("2d");
const w = 100;
const h = 100;
cvs.style.width = w + 'px';
cvs.style.height = h + 'px';
cvs.width = w * dpr;
cvs.height = h * dpr;
ctx.scale(dpr, dpr);
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canvas 引用图片时的跨域问题

canvas 引用外部图片时,就可能会出现跨域问题。
出现场景:使用 html2canvas 库将带有外部图片的 html 页通过 canvas 转为图片。 解决方案:

const img = new Image();
const url = '图片 url';
img.crossOrigin = "";
img.src = `${url}?time=${new Date().valueOf()}`;
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canvas 性能优化

canvas 做游戏或者一些复杂的效果时,需要对性能进行一些优化。下面稍微了解下,可以做到的性能优化方案。

  1. 分层 canvas:分离需要经常更新的图层和不经常更新的图层。
  2. 过滤视野之外的绘制。
  3. 将精灵图上需要裁剪绘制的图片提前裁剪。

实现贝塞尔曲线动画

下面,我们先来了解下 canvas 中的贝塞尔曲线,再用基础知识来实现贝塞尔曲线动画。

canvas 的贝塞尔曲线

贝塞尔曲线是计算机图形学中相当重要的参数曲线,在 canvas 中有二次贝塞尔曲线和三次贝塞尔曲线的实现:

// 二次贝塞尔曲线 quadraticCurveTo(cx, cy, x, y); 
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(0, 0); //起始点
ctx.quadraticCurveTo(cx, cy, x, y);// cx、cy 是控制点的坐标,x、y 是终点坐标
ctx.stroke();

// 三次贝塞尔曲线 bezierCurveTo(cx1, cy1, cx2, cy2, x, y);
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(0, 0); //起始点
ctx.bezierCurveTo(cx1, cy1, cx2, cy2, x, y); // cx1、cy1、cx2、cy2 是控制点的坐标,x、y 是终点坐标
ctx.stroke();
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贝塞尔曲线实现原理

以二次贝塞尔曲线为例:在平面上确定不在同一直线的3个点,D0、D1、D2,在 D0D1 上任取一点 D3,在 D1D2 上任取一点 D4,使得 D0D3/D0D1 = D1D4/D1D2,然后连接 D3D4,按照相同的比例,在 D3D4 确定一个点,这个点的移动轨迹就是贝塞尔曲线。(听起来很熟悉?没错,大概就是初中数学题)
其中,D0、D2 是数据点,D1 是控制点。还不理解的同学,可以看下面这张图:

搞清楚二阶的贝塞尔曲线,那么三阶、四阶都能理解了,无非就是在前一阶贝塞尔曲线上递增。

实现贝塞尔曲线运动动画

首先,讲下我的实现思路:

  1. 将 canvas 分为3层:
    • 第一层渲染初始的点和线,避免重复调用初始化函数;
    • 第二层渲染所有移动的点和线,调用 clearRect() 来清除原来的绘制的路径;
    • 第三层用来渲染贝塞尔曲线。
  2. 初始点 dots 数组,比例 ratio。根据 dots 和 ratio 获取第一层运动点 moving_dots[1] 数组,第二层运动点 moving_dots[2] 在 moving_dots[1] 的基础上获取。依次类推,当移动的同级的点只剩下2个时,在这条线上确定最后的贝塞尔曲线运动点。

下面上主要源码:

const dots = [{ x: 25, y: 125 }, { x: 150, y: 50 }, { x: 250, y: 250 }];
const l = dots.length;
const colors = ['red', 'gold', 'skyblue', 'lime'];
let initialTexts = [];
let ratio = 0;
let distance = 0;
let moving_dots = [];
moving_dots[0] = dots;
function getMovingDots() {
  let depth = l - 1;
  let texts = initialTexts;
  let num = l;
  if(depth == 1) {
    return paintBezier(moving_dots[0]);
  }
  for(let i = 1; i < l - 1; i++) { // 用二维数组记录点坐标
    moving_dots[i] = [];
    for(let j = 0; j < depth; j++) {
      moving_dots[i].push(getDotPosition(moving_dots[i - 1][j], moving_dots[i - 1][j + 1], ratio));//getDotPosition() 获取点坐标的函数
      paintDot(ctx, { 
        x: moving_dots[i][j].x, 
        y: moving_dots[i][j].y, 
        color: colors[l - depth], 
      });
      texts.push(`D${num}`);
      paintText(ctx, texts[num], { x: moving_dots[i][j].x, y: moving_dots[i][j].y });
      num++;
    }
    for(let j = 0, len = moving_dots[i].length; j < len - 1; j++) {
      paintLine(ctx, {
        start: moving_dots[i][j], 
        end: moving_dots[i][j + 1], 
        size: 2, 
        color: colors[l - depth],
      });
    }
    if(depth == 2) {
      paintBezier(moving_dots[i]);
    }
    depth--;
  }
}
function move() {
  if(ratio >= 1) return;
  ctx.clearRect(0, 0, w, h);
  getMovingDots();
  ratio += 0.002;
  window.requestAnimationFrame(move);
}
复制代码

总结

好了,以上就是我对 canvas 基础用法的总结,以及基于 canvas 基础实现的贝塞尔曲线动画,希望大家能有所收获!(如果文中有什么错误的地方,请大家积极指正。)

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