你不知道的前端演算法之熱力圖的實現

Aresn發表於2017-12-26
前端演算法

本文作者：TalkingData 視覺化工程師李鳳祿

編輯：Aresn

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inMap 是一款基於 canvas 的大資料視覺化庫，專注於大資料方向點線面的視覺化效果展示。目前支援散點、圍欄、熱力、網格、聚合等方式；致力於讓大資料視覺化變得簡單易用。

GitHub 地址：github.com/TalkingData… (點個 Star 支援下作者吧！)

熱力圖這個名字聽起來很高大上，其實等同於我們常說的密度圖。

image

如圖表示，紅色區域表示分析要素的密度大，而藍色區域表示分析要素的密度小。只要點密集，就會形成聚類區域。 看到這麼炫的效果，是不是自己也很想實現一把？接下來手把手實現一個熱力（帶你裝逼帶你飛、 哈哈），鄭重宣告：下面程式碼片段均來自 inMap。

準備資料

inMap 接收的是經緯度資料，需要把它對映到 canvas 的畫素座標，這就用到了墨卡託轉換，墨卡託演算法很複雜，以後我們會有單獨的一篇文章來講講他的原理。經過轉換，你得到的資料應該是這樣的：

[
  {
    "lng": "116.395645",
    "lat": 39.929986,
    "count": 6,
    "pixel": { //畫素座標
      "x": 689,
      "y": 294
    }
  },
  {
    "lng": "121.487899",
    "lat": 31.249162,
    "count": 10,
    "pixel": { //畫素座標
      "x": 759,
      "y": 439
    }
  },
  ...
]
複製程式碼

好了，我們得到轉換後的畫素座標資料(x、y),就可以做下面的事情了。

建立 canvas 漸變填充

建立一個由黑到白的漸變圓

let gradient = ctx.createRadialGradient(x, y, 0, x, y, radius);
gradient.addColorStop(0, 'rgba(0,0,0,1)');
gradient.addColorStop(1, 'rgba(0,0,0,0)');
ctx.fillStyle = gradient;
ctx.arc(x, y, radius, 0, Math.PI * 2, true);
複製程式碼
  • createRadialGradient() 建立線性的漸變物件
  • addColorStop() 定義一個漸變的顏色帶

效果如圖：

image
那麼問題就來了，如果每個資料權重值 count 不一樣，我們該如何表示呢？

設定 globalAlpha

根據不同的count值設定不同的Alpha，假設最大的count的Alpha等於1，最小的count的Alpha為0，那麼我根據count求出Alpha。

let alpha = (count - minValue) / (maxValue - minValue);
複製程式碼

然後我們程式碼如下：

drawPoint(x, y, radius, alpha) {
    let ctx = this.ctx;
    ctx.globalAlpha = alpha; //設定 Alpha 透明度
    ctx.beginPath();
    let gradient = ctx.createRadialGradient(x, y, 0, x, y, radius);
    gradient.addColorStop(0, 'rgba(0,0,0,1)');
    gradient.addColorStop(1, 'rgba(0,0,0,0)');
    ctx.fillStyle = gradient;
    ctx.arc(x, y, radius, 0, Math.PI * 2, true);
    ctx.closePath();
    ctx.fill();
}
複製程式碼

效果跟上一個截圖有很大區別，可以對比一下透明度的變化。

image
（這麼黑乎乎的一團，跟熱力差距好大啊）

image

重置 canvas 畫布顏色

  • getImageData() 複製畫布上指定矩形的畫素資料
  • putImageData() 將影像資料放回畫布：

getImageData()返回的資料格式如下：

{
  "data": {
    "0": 0,   //R
    "1": 128, //G
    "2": 0,   //B
    "3": 255, //Aplah
    "4": 0, //R
    "5": 128, //G
    "6": 0,  //B
    "7": 255, //Aplah
    "8": 0,
    "9": 128,
    "10": 0,
    "11": 255,
    "12": 0,
    "13": 128,
    "14": 0,
    "15": 255,
    "16": 0,
    "17": 128,
    "18": 0,
    "19": 255,
    "20": 0,
    "21": 128,
    "22": 0
    ...
複製程式碼

返回的資料是一維陣列，每四個元素表示一個畫素（rgba）值。

實現熱力原理：讀取每個畫素的alpha值(透明度)，做一個顏色對映。

程式碼如下：

let palette = this.getColorPaint(); //取色皮膚
let img = ctx.getImageData(0, 0, container.width, container.height);
    let imgData = img.data;
    let max_opacity = normal.maxOpacity * 255;
    let min_opacity = normal.minOpacity * 255;
    //權重區間
    let max_scope = (normal.maxScope > 1 ? 1 : normal.maxScope) * 255;
    let min_scope = (normal.minScope < 0 ? 0 : normal.minScope) * 255;
    let len = imgData.length;
    for (let i = 3; i < len; i += 4) {
        let alpha = imgData[i]; 
        let offset = alpha * 4;
        if (!offset) {
            continue;
        }
        //對映顏色
        imgData[i - 3] = palette[offset];
        imgData[i - 2] = palette[offset + 1];
        imgData[i - 1] = palette[offset + 2];

        // 範圍區間
        if (imgData[i] > max_scope) {
            imgData[i] = 0;
        }
        if (imgData[i] < min_scope) {
            imgData[i] = 0;
        }

        // 透明度
        if (imgData[i] > max_opacity) {
            imgData[i] = max_opacity;
        }
        if (imgData[i] < min_opacity) {
            imgData[i] = min_opacity;
        }
    }
    //將設定後的畫素資料放回畫布
ctx.putImageData(img, 0, 0, 0, 0, container.width, container.height);
複製程式碼

建立顏色對映，一個好的顏色對映決定最終效果。 inMap 建立一個長256px的調色皮膚：

let paletteCanvas = document.createElement('canvas');
let paletteCtx = paletteCanvas.getContext('2d');
paletteCanvas.width = 256;
paletteCanvas.height = 1;
let gradient = paletteCtx.createLinearGradient(0, 0, 256, 1);
複製程式碼

inMap 預設顏色如下：

this.gradient = {
    0.25: 'rgb(0,0,255)',
    0.55: 'rgb(0,255,0)',
    0.85: 'yellow',
    1.0: 'rgb(255,0,0)'
};
複製程式碼

將gradient顏色設定到調色皮膚物件中

for (let key in gradient) {
    gradient.addColorStop(key, gradientConfig[key]);
}
複製程式碼

返回撥色皮膚的畫素點資料：

return paletteCtx.getImageData(0, 0, 256, 1).data;
複製程式碼

建立出來的調色皮膚效果圖如下：（看起來像一個漸變顏色條）

image

最終我們實現的熱力圖如下：

image

下節預告

下一節，我們將重點介紹 inMap 文字避讓演算法的實現。

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