【图表开发小案例】快来码一个性感妖娆的高逼格 “圆环”

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本文作者 @子奂,阿里云 TXD 团队可视化小组成员,一枚拥有热力学基础和空调装配经验的前端技工。

图1 - 风格各异的圆环效果

日常生产生活中,我们会经常读到或使用各种类型的图表。圆环(圆弧)便是一种较常见的类型,用于直观展现某一数据指标占整体的比例。本文以 HTML Canvas 的实现为主(当然,SVG 党可以在了解原理后自行实现),逐层介绍圆环图表开发的一些主要思路和原理。

图1 所示是一些我们平时比较常见的一些圆环(圆弧)效果。虽然图形的主体构成都是圆弧,但不同效果在信息传达的功能上却略有差异。如:

  • 闭合的圆环可以表示流程 “进度” 的概念
  • 非闭合圆环一般用于状态量(标量)的展示,一般也称为 “仪表盘” 效果
  • 不同的色相可用于标识状态量的状态区间(如:低危-中危-高危 区间的标识可以使用三种颜色的构成的过渡效果进行表达)

为了更加方便、完善地解决我们在业务开发时的具体需要,可以对这些风格、样式进行一定分析、抽象,总结出一个通用组件需要具备的能力,如:

  • 颜色、渐变可配(支持传入单一色值或颜色序列)
  • 圆弧宽度可调(内、外半径大小可配置)
  • 圆弧夹角可调(开始角度、截止角度可配置)
  • 圆弧端点造型可选(可切换平角/半圆造型
  • 文案效果可调(字号、字体、颜色等)

下面,我们着手于实现这样一个功能全面、业务通用性较强的圆环组件。

1. 圆环的造型

绘制圆环造型的第一步,需要先绘制圆环图表构成要素,即一段一段的圆弧。而对于像下图中这样的两种倒角效果(黄色部分圆弧两端的样式),既可以是直角,也可以是半圆。

图2 - 圆弧的两种倒角风格

因此,我们需要实现一个通用的方法来绘制圆弧,提供两种倒角风格给用户。

1.1 前景圆弧的绘制

图3 - 圆弧绘制的步骤

圆弧绘制的思路如上图所示,按先后顺序大致分为几个步骤:

(1)绘制圆弧起始端的半圆轮廓
(2)绘制圆弧的外边缘轮廓
(3)绘制圆弧终止端的半圆轮廓
(4)绘制圆弧的内边缘轮廓
(5)闭合轮廓并填充色彩

注:由于 canvas 绘制圆弧的方法默认是顺时针方向,因而我们的绘图步骤也是沿着顺时针方向

以下是一些姿势要领:

1.1.1 端点坐标的计算

在绘制端点半圆之前我们需要端点的位置坐标,以其实端为例,根据圆环的半径(内外径的均值,即圆弧中线的半径)和起始端点的角度如何计算圆上一点的坐标:

// 计算圆弧上某点的坐标
// originX, originY - 圆心的坐标
// radius - 圆环半径,等于圆环内、外径的平均值,也即圆弧中线的半径
// alpha - 弧度
function calcPosition(originX, originY, radius, alpha) {
  return [
    radius * Math.cos(alpha) + originX,
    radius * Math.sin(alpha) + originY,
  ];
}

1.1.2 端点半圆的起止角度

图4 - 半圆

在 canvas 中绘制一个 arc,需要知道其起始角度和终止角度。由于 canvas 绘制默认方向为屏幕顺时针方向(屏幕 Z轴 的左手螺旋方向),从上面的示意图中可以看出:

起始端半圆弧度范围 - [radianStart - Math.PI, radianStart]
终止端半圆弧度范围 - [radianEnd, radianEnd + Math.PI]

1.1.3 绘制半圆

有了端点坐标和起止角度,便可以绘制端点的半圆:

// 以起始端的半圆倒角为例
myCanvas.context.arc(
  x,
  y,
  (radiusOutter - radiusInner) / 2,     // 小圆半径,等于圆环线宽的一半
  radianStart - Math.PI,
  radianStart
);

直角倒角风格的绘制与半圆倒角圆弧的绘制步骤基本相同,主要差别在于不用绘制圆弧两个端点的小半圆,改成绘制直线。背景圆弧的绘制也与前景圆弧方法一致。

2. Canvas 实现锥形渐变

上面的步骤可以绘制出圆弧的轮廓,要达到 图1 那样的视觉效果,我们需要给前面绘制出来的轮廓填充图像。

沿着圆周方向的渐变,因为其图像形似圆锥体的俯瞰效果,俗称锥形渐变:

图5 - 锥形渐变

众所周知,CSS 中有一个名为 conic-gradient 的属性直接支持锥形渐变,而 HTML Canvas 的原生 API 目前还没有类似的能力。那么,我们如何在 canvas 中绘制出这样的图像呢?

下面我们讲下大致的原理:

(1)对用户传入的颜色进行插值,得到一个颜色序列。

这里,我们直接使用 canvas 原生的 createLinearGradient 方法,在离屏 canvas 中绘制一个 1px 的线性渐变效果,图像宽度正好是我们要插值的数量,渐变插值的结果也就是 canvas 上对应像素位置的色值。

图6 - 1px线性渐变

颜色插值(渐变取色)代码实现如下:

// 用于实现颜色插值的工具类
export default class ColorInterpolate {
  // 参数01: stops - 为要插值的颜色序列,数据格式形如:[[0, 'red'], [0.5, 'green'], [1.0, 'yellow']]
  // 参数02: segment - 插值段落数,即插值结果的颜色值的数量
  constructor(stops = [], segment = 100) {
    // 构建离屏 canvas
    const canvas = document.createElement('canvas');
    canvas.width = segment;
    canvas.height = 1;
    this.ctx = canvas.getContext('2d');

    // 绘制线性渐变
    const gradient = this.ctx.createLinearGradient(0, 0, segment, 0);
    for (let [offset, color] of stops) {
      gradient.addColorStop(offset, color);
    }

    this.ctx.fillStyle = gradient;
    this.ctx.fillRect(0, 0, segment, 1);
  }

  // 根据位置偏移量获取插值后的色值
  getColor(offset) {
    const imgData = this.ctx.getImageData(offset, 0, 1, 1);
    return `rgba(${imgData.data.slice(0, 3).join(',')}, ${imgData.data[3] / 255})`;
  }
}

(2)如下图所示,我们可以把渐变的图像看成是由足够多填充了单个色值的小 “扇面” 拼接而成。

图7 - “扇面法”绘制锥形渐变

按照这样的思路,我们只需要遍历上面色彩插值得到的各个颜色,然后逐个绘制小扇面,便可得到一个锥形渐变图像。

为此我们封装了一个名为 createConicalGradient 的方法,其使用习惯与 canvas 原生的 createLinearGradient 和 createRadialGradient 方法相似。具体代码见 我的 Github(觉得有用的童鞋可以 star 一下)。

3. 过渡动画

3.1 圆弧的过渡

在数值发生改变时,我们的图表需要一个能够跟随数据改变的过渡动画效果,对于 canvas 而言,便是清除旧图像然后绘制新一帧图像。这里有一些方法包装上的技巧:

// 注:伪代码,真实场景建议 OOP 方式包装为工具类

let _animTick = null;
let _animFrames = null;
let _frameData = null;
let _animDiff = null;

// 动画方法
function _animate(duration) {
  if (_animTick === null) {
    // 根据动画时长 duration 计算整个动画一共需要多少帧(以 60fps 计算)
    _animFrames = Math.round((duration / 1e3) * 60);

    // 相邻两帧动画的数据变化
    _animDiff = _calcAnimDiff(_animFrames);

    // 动画帧数标识
    _animTick = 0;
  }

  // 当前帧的数据值
  _frameData = _caclCurentData(_animDiff, _animTick);
  _renderFrame(_frameData);

  if (_animTick !== null && _animTick < _animFrames) {
    // 继续执行动画
    window.requestAnimationFrame(() => {
      _animate();
      _animTick += 1;
    });
  } else {
    // 动画结束
    _renderFrame(_frameData);
    _animTick = null;
  }
}

// 绘制当前帧
function _renderFrame(data) {
  // ...
}

// 计算动画相邻帧的数据差异
function _calcAnimDiff() {
  // ...
}

// 根据两帧数据差计算当前帧
function _caclCurentData() {
  // ...
}

3.2 两种动画模式

在过渡动画执行的过程中,需要考虑两种不同的模式:一种是渐变图像不变化,仅是圆弧的轮廓从旧状态变化到新状态;一种是渐变图像的夹角范围跟随轮廓的大小改变。

这两种模式其实都有一定意义:前者可以使用不同颜色代表数值的不同状态;后者仅仅是将渐变的颜色看成一种装饰效果。

4. 结果演示

比较关键的原理都介绍完了,最后展示一下我们封装的图表组件的效果(右侧 GUI 部分是我们自研的设计引擎的编辑效果):

图8 - 圆环组件效果

5. 写在后面

本文是可视化图表开发的一个小案例,也是【图表开发小案例】这个系列的第一篇。篇幅比较短,还有很多细节没有展开讨论。感兴趣的童鞋欢迎交流、探讨,请多多关注我们后面的推文 ~(^_^)Y

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