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讲一讲 Canvas 究竟是个啥

HTML5 的标准已经出来好久了,但是似乎其中的 Canvas 现在并没有在太多的地方用到。一个很重要的原因是,Canvas 的标准还没有完全确定,不适合大规模用在生产环境。但是,Canvas 的优点也是很明显的,例如在绘制含有大量元素的图表的时候,SVG 往往因为性能问题而无法胜任,例如我见过的一次技术分享会的抽奖环节,虽然效果比较炫,但因为每个头像都是 DOM,利用 CSS3 控制的动画,导致了性能非常低下。此外,随着硬件性能的提高,视频截图、图像处理等功能也逐渐可以在网页上实现了,大多数网站用的是 Flash,但是 Flash 在 Mac 电脑上性能不高,还需要学一些额外的知识。Canvas 则是直接使用 JavaScript 来进行绘图,对 Mac 友好,所以不失为 Flash 的一个继承者。

使用 Canvas

说了这么多,Canvas 究竟是个啥?

英文中 Canvas 的意思是“画布”,不过这里说的 Canvas 是 HTML5 中新出的一个元素,开发者可以在上面绘制一系列图形。Canvas 在 HTML 文件中的写法很简单:

<canvas id="canvas" width="宽度" height="高度"></canvas>

其中 id 属性是所有 HTML 元素都可以用的,Canvas 自带的属性只有后面两个(分别控制宽度、高度),没有其它的了。至于兼容性, CanIUse 上面写了,基础的功能目前用户使用的 90% 的浏览器都支持,所以大部分情况下还是可以放心使用的。

讲一讲 Canvas 究竟是个啥

注意,一定要使用 Canvas 自带的 widthheight 属性,不要使用 CSS 来控制,因为 CSS 控制会导致 Canvas 变形。可以试着与 PhptpShop 对比一下,后者是改变“图像大小”,前者才是正确的改变“画布大小”。例如下图是三张图片的横向拼接:最左边的黑框中是大小为 50px * 50px 的原图;中间是改变了图像大小为 100px * 100px 的效果,图像变得模糊,但是对于图像本身来说坐标范围并没有变大;最右边才是正确的 100px * 100px 的 Canvas。

讲一讲 Canvas 究竟是个啥

Canvas 绝大部分的绘图方法都与 <canvas> 标签无关,需要使用 JavaScript 对其进行操作,这就是所谓的 Canvas API。

我们首先获取到这个元素:

var canvas = document.getElementById('canvas');

然后通过一个方法来获取可以调用一切 Canvas API 的入口:

var ctx = canvas.getContext('2d');

看到 2d 是不是很激动地联想到有没有 3d 呢?没有 3d 的写法,不过如果想要开启 3D 世界的大门,则可以写 canvas.getContext('webgl') 。然而 WebGL 是基于 OpenGL ES 2.0 的一套标准,与本文是彻彻底底的两条路,因此这里就不讨论了。

Canvas 中的基本概念

坐标

与数学上常见的笛卡尔坐标系不太相同,Canvas 的坐标系是计算机中常见的坐标系,它长这样:

讲一讲 Canvas 究竟是个啥

画布的最左上角是 (0,0),往右 x 增大,往下 y 增大,而且 x 和 y 都是整数(就算在计算过程中不是整数,在绘制的时候也会当作整数处理),单位是像素。

绘图

带大家怀旧一下。不知道有多少同学小时候玩过 logo 语言,在里面你可以控制一只小海龟在一块板子上行走、画画、提笔、落笔。Canvas 中也一样,你需要控制一只画笔的移动和绘制。然而 Canvas 更高级一些,你可以直接利用一些函数来画图,不用去控制那只画笔的位置。

Canvas 中的基本图形

通过上文定义的 ctx 变量可以干许多有意思的事情,我们先看看如何绘制一些基本图形。

线条

我们指定画笔移动到某一点,然后告诉画笔需要从当前这一点画到另一点。我们可以让画笔多次移动、绘制,最后统一输出到屏幕上。例子如下:

ctx.moveTo(10, 10);
ctx.lineTo(150, 50);
ctx.lineTo(10, 50);
ctx.moveTo(10, 20);
ctx.lineTo(40, 70);
ctx.stroke();

上面的代码中, lineTo 是产生线条用的函数,执行完之后画笔就移到了线条的终点。需要注意的是,线条此时并没有显示在屏幕上,必须调用 stroke 才会显示。这样设计是有道理的,因为向屏幕上输出内容需要耗费大量的资源,我们完全可以先攒够一波 lineTo ,最后用 stroke 放一个大的。

路径

绘制路径非常简单,只需要先告诉 ctx 一声“我要开始画路径了”,然后通过各种方法(例如 lineTo )绘制路径。如果需要画一个封闭路径,那就最后告诉 ctx 一声:“我画完了,你把它封闭起来吧。”当然,不要忘记利用 stroke 输出到屏幕上。

一个简单的例子:

ctx.beginPath();
ctx.moveTo(10, 10);
ctx.lineTo(150, 50);
ctx.lineTo(10, 50);
ctx.closePath();
ctx.stroke();

如果我不想只描绘路径线条,而是想填充整个路径呢?可以将最后一行的 stroke 改成 fill ,这样就跟使用了画图中的油漆桶一样,封闭路径里面的内容就都被填充上颜色了:

ctx.fill();

弧 / 圆形

绘制弧的函数参数比较多:

ctx.arc(圆心 x 坐标, 圆心 y 坐标, 半径, 起始角度, 终止角度, 是否为逆时针);

注意,在 Canvas 的坐标系中,角的一边是以圆心为中心的水平向右的直线。角度单位均为弧度。例如下图,确定了圆心、起始角度(图中标明的锐角)和终止角度(图中标明的钝角),方向为逆时针,于是就有了这么一个弧。如果方向为顺时针,那么就会是一个跟它互补的、非常非常大的弧……

讲一讲 Canvas 究竟是个啥

所以如果转了 2π 圈之后,弧就成了圆形,因此也可以使用绘制弧的方式来绘制圆形:

ctx.beginPath();
ctx.arc(圆心 x 坐标, 圆心 y 坐标, 半径, 0, Math.PI * 2, true);
ctx.closePath();

最后一个参数随便填(当然也可以不填),因为不管是顺时针还是逆时针,转了 2π 圈之后都是一个圆。

矩形

如果只是想绘制一个横平竖直的矩形,可以使用下面的两个方法:

// 只描边
ctx.strokeRect(左上角 x 坐标, 左上角 y 坐标, 宽度, 高度);
// 只填充
ctx.fillRect(左上角 x 坐标, 左上角 y 坐标, 宽度, 高度);

线条样式 / 填充样式

之前绘制的所有图形都是黑色的,但是 Canvas 肯定不止这么一种颜色(不然标准的制定者会被喷的很惨)。事实上,Canvas 可以单独设置线条样式和填充样式,分别使用的是 strokeStylefillStyle 。可能的值有三种:纯色、渐变、图像。既然线条样式与填充样式的使用方法相同,那么下面统一以填充样式为例。如果想设置线条样式,直接将所有的 fillStyle 改成 strokeStyle 即可,里面的参数都不变。

/* 纯色填充 */
// 普通的颜色
ctx.fillStyle = '#0000ff';
// 带有透明度的颜色
ctx.fillStyle = 'rgba(64, 0, 127, 0.5)';

/* 渐变填充 */
// 设置渐变的尺寸(参数分别为起始点的 x 和 y、终止点的 x 和 y)
var gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 170, 0);
// 设置过渡色,第一个参数是渐变的位置,第二个参数是颜色
gradient.addColorStop(0, 'magenta');
gradient.addColorStop(0.5, 'blue');
gradient.addColorStop(1.0, 'red');
// 设置填充样式
ctx.fillStyle = gradient;

/* 图片填充 */
// 创建图片
var image = new Image;
image.src = '/path/to/image.png';
// 创建图片笔触,可以指定图片的平铺方式,这里是横向平铺
var pattern = ctx.createPattern(image, 'repeat-x');
// 设置笔触填充
ctx.fillStyle = pattern;

关于渐变,除了代码中提到的线性渐变以外,还有 createRadialGradient ,也就是径向渐变。

设置完填充样式之后,就可以使用 fill 来填充啦!如果设置的是线条样式,那么就可以使用 stroke 来描边。

当然,对于线条样式,还有个额外的方法叫 lineWidth 可以用来控制线条的宽度。

文字

要想在画布上画文字,首先需要知道所使用的字体和字号:

ctx.font = '30px Verdana';

然后就可以通过 strokeText 或者 fillText 来对字体描边或者填充字体。

ctx.strokeText("Hello Coding!", 23, 33);
ctx.fillText("Hello Coding!", 23, 66);

图片

在 Canvas 中绘制图片有三种方法:

// 指定绘制位置
ctx.drawImage(image, x, y);
// 指定绘制位置和图像宽高
ctx.drawImage(image, x, y, width, height);
// 指定剪裁区域、绘制位置和图像宽高
ctx.drawImage(image, sx, sy, swidth, sheight, x, y, width, height);

参数的含义依次如下:

image:   要使用的 Image、Canvas 或 Video
sx:      可选,开始剪切的 x 坐标
sy:      可选,开始剪切的 y 坐标
swidth:  可选,被剪切图像的宽度
sheight: 可选,被剪切图像的高度
x:       在画布上放置图像的 x 坐标
y:       在画布上放置图像的 y 坐标
width:   可选,要使用的图像的宽度
height:  可选,要使用的图像的高度

画布设置

细心的同学可能会发现,刚才有些属性是直接对 ctx 变量做设置,例如 ctx.lineWidth ,只要设置了它,那么后续画出来的线条全都是这么个宽度。

其实,Canvas 的设置项还有许多,例如我们可以直接移动画布、旋转画布、设置全局的绘制透明度等等。这些设置还可以随时保存和恢复。

要注意的一点是,所有已经画在画布上的东西,是已经定死了的,不管之后再次进行任何设置都不会再改变。这个很像 Windows 下的画图程序。

废话不多说,直接上代码:

// 移动画布,其实就是移动坐标系
ctx.translate(往右移动的量, 往下移动的量);
// 旋转画布,旋转中心为坐标系原点
ctx.rotate(顺时针旋转的角度);
// 以坐标系原点为中心缩放画布
ctx.scale(横向放大倍数, 纵向放大倍数);
// 设置绘制透明度,如果 fillStyle 等属性设置了透明度则会叠加
ctx.globalAlpha(零到一的小数);
// 设置全局组合操作
ctx.globalCompositeOperation = 'lighter';
// 保存当前设置
ctx.save();
// 恢复上次保存的设置
ctx.restore();

移动、旋转、缩放其实就是在控制绘图的坐标系,如果你在调用这三个方法的时候,脑子里时刻有一个带刻度的坐标系,效果会非常好。

事实上,Canvas 的坐标变换遵循计算机图形学的知识:变换矩阵。简单来说,一个坐标可以看成是一个矩阵,坐标所对应的矩阵乘上变换矩阵就可以实现对坐标的变换。为了提升计算的效率,可以先计算出几种变换复合之后的变换矩阵,然后直接通过 transform 函数对当前坐标系进行变换,或者通过 setTransform 函数将坐标系重置为初始状态后再进行变换。至于变换矩阵的内容,对于本文来说就有些超纲了。

全局组合操作有点像 PhotoShop 里面的“混合选项”,具体的实现方式还没有完全确定,目前常见浏览器都统一了的实现方式有: source-oversource-atopdestination-overdestination-outlighterxor 。具体的行为可以看 Mozilla 官方文档 ,但是由于标准还未完全确定,因此其它浏览器不保证所有的行为都跟 Mozilla 的标准一致。一般来说,比较常见的是 source-overlighter 两种,这两种的标准在浏览器界也算是无可争议的。

至于保存和恢复设置就有点好玩了,首先需要了解一个叫“栈”的东西。

栈是一个一维数组,规定只能从一个方向操作。栈一开始是空的,我们可以从这个方向往数组 push 元素,也只能从这个方向把最后一个元素(栈顶元素)pop 出来,除此以外没有任何多余的操作。当然,pop 的次数不能多于 push 的次数,因为 pop 到栈底的时候栈里就已经没有元素了,此时再 pop 是没有意义的。栈的用处有很多,例如括号匹配、表达式求值、深度优先搜索,甚至绝大部分语言的函数调用都要用到栈。

每次我们调用 save 函数,实际上是将当前的全局设置 push 到了一个专门栈上,每次调用 restore 函数的时候将最后一次保存的内容 pop 出来并用它覆盖当前的全局设置,这样栈顶就是最近一次保存的内容了。保存和恢复在某些情况下很好用,例如我需要画一个歪着的图形,然后继续画正着的图形,这样就可以先调用 save ,然后调用 rotate ,画完图形之后再 restore 回来,继续画其它的图形。

其实 Canvas 还有许多方法,例如 toDataURL 直接将当前画布上的内容转换为十六进制的 data-urlgetImageData 直接将图像转换为 RGBA 数组以供图像处理算法使用, putImageData 将 RGBA 数组转换为图片显示在画布上等等。如果配上 JavaScript 的定时更新(最好用 requestAnimationFrame 而不是 setInterval ),则可以产生动画效果。网上还有许多 Canvas 的库,可以让程序员更简便地基于 Canvas 编写属于自己的特效或功能。在这儿我想说一句话:大家的脑洞有多大,Canvas 的能力就有多强~

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