canvas进阶——如何画出平滑的曲线?

2018-10-13 admin

背景概要

相信大家平时在学习canvas 或 项目开发中使用canvas的时候应该都遇到过这样的需求:实现一个可以书写的画板小工具。

嗯,相信这对canvas使用较熟的童鞋来说仅仅只是几十行代码就可以搞掂的事情,以下demo就是一个再也简单不过的例子了:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Sketchpad demo</title>
    <style type="text/css">
        canvas {
            border: 1px blue solid; 
        }
    </style>
</head>
<body>
    <canvas id="canvas" width="800" height="500"></canvas>
    <script type="text/javascript">
        let isDown = false;
        let beginPoint = null;
        const canvas = document.querySelector('#canvas');
        const ctx = canvas.getContext('2d');

        // 设置线条颜色
        ctx.strokeStyle = 'red';
        ctx.lineWidth = 1;
        ctx.lineJoin = 'round';
        ctx.lineCap = 'round';

        canvas.addEventListener('mousedown', down, false);
        canvas.addEventListener('mousemove', move, false);
        canvas.addEventListener('mouseup', up, false);
        canvas.addEventListener('mouseout', up, false);

        function down(evt) {
            isDown = true;
            beginPoint = getPos(evt);
        }

        function move(evt) {
            if (!isDown) return;
            const endPoint = getPos(evt);
            drawLine(beginPoint, endPoint);
            beginPoint = endPoint;
        }

        function up(evt) {
            if (!isDown) return;

            const endPoint = getPos(evt);
            drawLine(beginPoint, endPoint);

            beginPoint = null;
            isDown = false;
        }

        function getPos(evt) {
            return {
                x: evt.clientX,
                y: evt.clientY
            }
        }

        function drawLine(beginPoint, endPoint) {
            ctx.beginPath();
            ctx.moveTo(beginPoint.x, beginPoint.y);
            ctx.lineTo(endPoint.x, endPoint.y);
            ctx.stroke();
            ctx.closePath();
        }
    </script>
</body>
</html>

它的实现逻辑也很简单:

  1. 我们在canvas画布上主要监听了三个事件:mousedownmouseupmousemove,同时我们也创建了一个isDown变量;
  2. 当用户按下鼠标(mousedown,即起笔)时将isDown置为true,而放下鼠标(mouseup)的时候将它置为false,这样做的好处就是可以判断用户当前是否处于绘画状态;
  3. 通过mousemove事件不断采集鼠标经过的坐标点,当且仅当isDowntrue(即处于书写状态)时将当前的点通过canvas的lineTo方法与前面的点进行连接、绘制;

通过以上几个步骤我们就可以实现基本的画板功能了,然而事情并没那么简单,仔细的童鞋也许会发现一个很严重的问题——通过这种方式画出来的线条存在锯齿,不够平滑,而且你画得越快,折线感越强。表现如下图所示:

howToDrawLineSmoothly_6

为什么会这样呢?

问题分析

出现该现象的原因主要是:

  • 我们是以canvas的lineTo方法连接点的,连接相邻两点的是条直线,非曲线,因此通过这种方式绘制出来的是条折线; howToDrawLineSmoothly_1.png
  • 受限于浏览器对mousemove事件的采集频率,大家都知道在mousemove时,浏览器是每隔一小段时间去采集当前鼠标的坐标的,因此鼠标移动的越快,采集的两个临近点的距离就越远,故“折线感越明显“;

如何才能画出平滑的曲线?

要画出平滑的曲线,其实也是有方法的,lineTo靠不住那我们可以采用canvas的另一个绘图API——quadraticCurveTo ,它用于绘制二次贝塞尔曲线。

二次贝塞尔曲线

quadraticCurveTo(cp1x, cp1y, x, y)

调用quadraticCurveTo方法需要四个参数,cp1xcp1y描述的是控制点,而xy则是曲线的终点:

howToDrawLineSmoothly_7

更多详细的信息可移步MDN

既然要使用贝塞尔曲线,很显然我们的数据是不够用的,要完整描述一个二次贝塞尔曲线,我们需要:起始点、控制点和终点,这些数据怎么来呢?

有一个很巧妙的算法可以帮助我们获取这些信息

获取二次贝塞尔关键点的算法

这个算法并不难理解,这里我直接举例子吧:

  1. 假设我们在一次绘画中共采集到6个鼠标坐标,分别是A, B, C, D, E, F
  2. 取前面的A, B, C三点,计算出BC的中点B1,以A为起点,B为控制点,B1为终点,利用quadraticCurveTo绘制一条二次贝塞尔曲线线段; howToDrawLineSmoothly_2
  3. 接下来,计算得出CD点的中点C1,以B1为起点、C为控制点、C1为终点继续绘制曲线; howToDrawLineSmoothly_3
  4. 依次类推不断绘制下去,当到最后一个点F时,则以DE的中点D1为起点,以E为控制点,F为终点结束贝塞尔曲线。 howToDrawLineSmoothly_4

OK,算法就是这样,那我们基于该算法再对现有代码进行一次升级改造:

let isDown = false;
let points = [];
let beginPoint = null;
const canvas = document.querySelector('#canvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');

// 设置线条颜色
ctx.strokeStyle = 'red';
ctx.lineWidth = 1;
ctx.lineJoin = 'round';
ctx.lineCap = 'round';

canvas.addEventListener('mousedown', down, false);
canvas.addEventListener('mousemove', move, false);
canvas.addEventListener('mouseup', up, false);
canvas.addEventListener('mouseout', up, false);

function down(evt) {
    isDown = true;
    const { x, y } = getPos(evt);
    points.push({x, y});
    beginPoint = {x, y};
}

function move(evt) {
    if (!isDown) return;

    const { x, y } = getPos(evt);
    points.push({x, y});

    if (points.length > 3) {
        const lastTwoPoints = points.slice(-2);
        const controlPoint = lastTwoPoints[0];
        const endPoint = {
            x: (lastTwoPoints[0].x + lastTwoPoints[1].x) / 2,
            y: (lastTwoPoints[0].y + lastTwoPoints[1].y) / 2,
        }
        drawLine(beginPoint, controlPoint, endPoint);
        beginPoint = endPoint;
    }
}

function up(evt) {
    if (!isDown) return;
    const { x, y } = getPos(evt);
    points.push({x, y});

    if (points.length > 3) {
        const lastTwoPoints = points.slice(-2);
        const controlPoint = lastTwoPoints[0];
        const endPoint = lastTwoPoints[1];
        drawLine(beginPoint, controlPoint, endPoint);
    }
    beginPoint = null;
    isDown = false;
    points = [];
}

function getPos(evt) {
    return {
        x: evt.clientX,
        y: evt.clientY
    }
}

function drawLine(beginPoint, controlPoint, endPoint) {
    ctx.beginPath();
    ctx.moveTo(beginPoint.x, beginPoint.y);
    ctx.quadraticCurveTo(controlPoint.x, controlPoint.y, endPoint.x, endPoint.y);
    ctx.stroke();
    ctx.closePath();
}

在原有的基础上,我们创建了一个变量points用于保存之前mousemove事件中鼠标经过的点,根据该算法可知要绘制二次贝塞尔曲线起码需要3个点以上,因此我们只有在points中的点数大于3时才开始绘制。接下来的处理就跟该算法一毛一样了,这里不再赘述。

代码更新后我们的曲线也变得平滑了许多,如下图所示:

howToDrawLineSmoothly_5

本文到这里就结束了,希望大家在canvas画板中“画”得愉快~我们下次再见:)

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