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教你做 2D Canvas 渲染优化(蚂蚁金服可视化 AntV 实践)

简介

HTML 上的图形渲染主要有两种方案 SVG 和 Canvas,前者更易于使用,而后者潜力更大,本文主要关注如何使用 Canvas 绘制出更多的图形,提供更加流畅的交互。本文的内容有:

  • 渲染机制
  • 性能瓶颈
  • 绘制更多的图形
  • 让交互更流畅
  • webGL 实现 2D 渲染

渲染机制

我们以简单的一个圆为示例,来对比 SVG 和 Canvas 的渲染:
  

image.png

  • SVG 同其他的 HTML 标签一样,每个图形对应一个标签,图形的绘制同 HTML 标签一致
<svg>
<circle cx="100" cy="50" r="40" stroke="black" stroke-width="2" fill="red"/>
</svg>
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  • 而 Canvas 本质上是一个图片,无论有多少个图形只有一个标签,需要使用 javascript 来绘制图形
<canvas></canvas>
<script>
  var ctx=c.getContext("2d");
	ctx.strokeStyle = 'black';
	ctx.fillStyle = 'red'
	ctx.lineWidth = 2;
  ctx.beginPath();
  ctx.arc(100,50,40,0,2 * Math.PI);
  ctx.stroke();
</script>
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PS:你可以把 SVG 的理解成制作完一个个的图形放到页面上,而 Canvas 则是使用画笔一个个的绘制图形。
这篇文章并不是对比 SVG 和 Canvas 差异的文章,两者的差别 w3cshool 的描述非常准确。

如何拾取图形

circle-hit.gif

由于 SVG 的图形是一个个的 HTML 标签,所以 SVG 的图形天然支持浏览器的所有事件。而 Canvas 是一张画布,使用一支笔将图形绘制到画布上后,这些图形就成为了画布的一部分,每个图形都无法独立的对浏览器的事件进行相应。有什么方式判断指定点所在的图形呢?主要有两种方案:

  1. 浏览器提供了 isPointInPath 和 isPointInStroke 两个方法判定点是否在图形内,点是否在图形的边上。
  2. 缓存所有图形的属性,使用数学方法来判断指定点所在的图形。

我们依然以一个圆为示例,来看这两种方式:

浏览器的方法

使用浏览器的方法需要重新绘制一遍图形:

 ctx.beginPath();
 ctx.arc(100,50,40,0,2 * Math.PI);
 const inPath = ctx.isPointInPath(100, 100);
 const inStroke = ctx.isPointInStroke(100, 100);
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  • 这是一种使用简单,同时所有图形都适用的方式,但是成本巨大,例如:鼠标每在画布上移动一次,都会导致所有的图形绘制一遍。
  • 建议图形个数小于 500 个时使用这个方案。

数学拾取

需要对每种图形提供判断是否在图形内部和图形边上的方法:

function isInCircle(point, x, y, r) {
	return distance(point.x, point.y, x, y) <= r;
}

function isInCircleStroke(point, x, y, r, lineWidth) {
  const d = distance(point.x, point.y, x, y);
	return d <= r + lineWidth / 2 && d >= r - lineWidth / 2;
}
const point = {x: 100, y: 100};
const inPath = isInCircle(point, 100, 50, 40);
const inStroke = isInCircle(point, 100, 50, 40, 2);
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  • 性能好:从性能上来说数学拾取的性能比使用浏览器的方法要快 20 倍左右
  • 实现复杂:从实现上来说需要实现所有几何图形的数学计算,更多的数学计算参考 2D 图形计算

PS:两者的性能测试对比

浏览器 API 数学计算
1 111.02999997092411 4.779999959282577
2 110.53000000538304 5.694999999832362
3 117.55500000435859 7.979999994859099
4 126.2599999899976 5.354999972041696
5 110.8949999907054 4.725000006146729
6 121.6549999662675 6.2049999833106995
7 121.18500005453825 4.529999976512045
8 116.78500002017245 8.094999997410923
9 124.06000000191852 8.925000031013042
10 124.42499998724088 4.849999968428165
平均值 118.43799999915063 6.113999988883734

更多更快的拾取方案可以参考 2D 图形拾取方案

图形的更新

对于 SVG 的图形来说,直接修改对应标签的属性即可,有浏览器控制刷新图形。但是对于 Canvas 来说需要清除整个画布,重新绘制所有的图形,也就是说 Canvas 画布上有 10W 个图形,仅仅更新一个图形时,其他 99999 个图形也需要重新绘制。

function drawAll() { 
	// 绘制所有图形
}
function repaint() {
	ctx.clearRect(0, 0, width, height);
  drawAll();
}
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性能瓶颈

从上面的渲染机制我们可以自然的推导出 Canvas 的图形渲染的性能瓶颈主要在三方面:

  • 同一时间绘制过多的图形,会阻塞浏览器的进程,导致页面不能响应
  • 鼠标在画布上移动时,如果不能及时捕捉鼠标,会导致卡顿
  • 图形更新时,重绘的时间过长,则帧率非常低

渲染的成本

我们以绘制 1W 个圆作为示例,来看一下单次绘制的成本:

image.png

需要 51 ms,假如我们要绘制 10W 个点,则需要 510ms

拾取的成本

前面我们测试过图形拾取和数学拾取的差异,1W 个圆的拾取需要 11ms左右,如果再加上图形刷新的响应,可以预期帧率会非常低。

更新的成本

我们以鼠标在画布上移动,移入一个圆这个圆变颜色,我们来看一下画布整体刷新时的效果:

circle-hit1.gif

  • 可以看到明显的延迟,鼠标移动开一段距离后,点才响应
  • 鼠标移动过的路径,大部分圆没有响应

如果我们对圆进行动画看一下帧率:

circle-hit2.gif

可以看到动画的帧率在 8 帧左右

绘制更多的图形

首次渲染时的优化

当一次渲染的图形过多时,将一次渲染分成多次渲染,每次渲染时间增加几毫秒的间隔,这时候就不会卡顿:

image.png

这种方案虽然会增加总的渲染时长,但是可以降低页面的卡顿感,对所有图形进行整体更新时也可以使用这个方案,但是进行交互时这种方案会带来一定的延迟。
draw2.gif

  • 这是一个 10W 个点渲染(局部 画布 1000 * 1000,这里仅显示了500* 500 的范围)的效果,可以保证近乎 60帧的效果
  • 分段渲染的核心在于中间空白的间隔要足够小,这里面有很多的算法,就不在这里展开
  • 分段渲染时数据更新时怎么处理,可以参考 react fiber 的实现。

频繁渲染的优化

鼠标在画布上移动时,不断的导致重绘,我们只要能够保证 60 帧的重绘频率即可,所以重绘的间隔不能小于 16ms,我们可以将持续渲染的同步机制,改成每 16 ms 渲染的异步延迟渲染机制,这样可以大大降低重绘的频率。

image.png

异步渲染依然有很多需要思考的地方,可以参考延迟渲染实现 

更新的优化

我们可以实现图形的局部刷新,在局部刷新时仅清空图形所在的包围盒,所有与这个包围盒相交的图形全部刷新,这时候我们来看上面的两个示例:当鼠标在画布上移动时,这就流畅多了,基本上没有延迟

circle-hit4.gif

同样的动画,可以看到支持了局部刷新后可以直接到达 60 帧
circle-hit3.gif

局部刷新的具体实现比这复杂的多,后面我会写一篇更详细的关于局部刷新的文章,这里可以参考 局部刷新文档 

拾取的优化

拾取的优化我们在上面已经进行了简单的说明,数学拾取的性能远远超过使用浏览器的方法来拾取,更多的拾取方案参考:2D 图形拾取方案

webGL 实现 2D 渲染

渲染性能的提升

由于 webGL 的渲染是在 GPU 中进行,可以显著的提升渲染效率,可以看下面的示例:

draw3.gif

  • 这是一个 80 * 80 * 80 = 512000 个点的示例

一些限制

  • 由于 webGL 的渲染时基于光栅(点),所以绘制线时本质上是通过一个个的点来绘制,逐点计算贝塞尔等曲线不现实,因此绘制的这些曲线不够平滑。
  • 绘制图形时尽量不要直接在 cpu 中计算各个图形的几何模型,而使用 shader 对图形进行计算和渲染,否则性能反而会下降
  • 文本的渲染非常复杂,也不会带来性能的提升

总结

这些优化大部分已经在 2D 绘图引擎 G上实现 ,2D 图形的渲染优化主要在异步渲染、拾取加速和局部渲染三个方面,但是每个方面都非常复杂,都可以独立成章,本文仅仅是从思路上进行讲解,更多更细的分析都会在后面提供独立的章节进行讲解,敬请期待!

AntV 官网:antv.vision/
2D 绘图引擎 G:github.com/antvis/g