canvas進階——如何畫出平滑的曲線?

我的藍貓被削了發表於2018-10-13
Canvas

背景概要

相信大家平時在學習canvas 或 專案開發中使用canvas的時候應該都遇到過這樣的需求：實現一個可以書寫的畫板小工具。

嗯，相信這對canvas使用較熟的童鞋來說僅僅只是幾十行程式碼就可以搞掂的事情，以下demo就是一個再也簡單不過的例子了：

<!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');

		// 設定線條顏色
		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>
複製程式碼

它的實現邏輯也很簡單：

  1. 我們在canvas畫布上主要監聽了三個事件：mousedown、mouseup和mousemove，同時我們也建立了一個isDown變數；
  2. 當使用者按下滑鼠（mousedown，即起筆）時將isDown置為true，而放下滑鼠（mouseup）的時候將它置為false，這樣做的好處就是可以判斷使用者當前是否處於繪畫狀態；
  3. 通過mousemove事件不斷採集滑鼠經過的座標點，當且僅當isDown為true（即處於書寫狀態）時將當前的點通過canvas的lineTo方法與前面的點進行連線、繪製；

通過以上幾個步驟我們就可以實現基本的畫板功能了，然而事情並沒那麼簡單，仔細的童鞋也許會發現一個很嚴重的問題——通過這種方式畫出來的線條存在鋸齒，不夠平滑，而且你畫得越快，折線感越強。表現如下圖所示：

howToDrawLineSmoothly_6

為什麼會這樣呢？

問題分析

出現該現象的原因主要是：

  • 我們是以canvas的lineTo方法連線點的，連線相鄰兩點的是條直線，非曲線，因此通過這種方式繪製出來的是條折線；
    howToDrawLineSmoothly_1.png
  • 受限於瀏覽器對mousemove事件的採集頻率，大家都知道在mousemove時，瀏覽器是每隔一小段時間去採集當前滑鼠的座標的，因此滑鼠移動的越快，採集的兩個臨近點的距離就越遠，故“折線感越明顯“；

如何才能畫出平滑的曲線?

要畫出平滑的曲線，其實也是有方法的，lineTo靠不住那我們可以採用canvas的另一個繪圖API——quadraticCurveTo，它用於繪製二次貝塞爾曲線。

二次貝塞爾曲線

quadraticCurveTo(cp1x, cp1y, x, y)

呼叫quadraticCurveTo方法需要四個引數，cp1x、cp1y描述的是控制點，而x、y則是曲線的終點：

howToDrawLineSmoothly_7

更多詳細的資訊可移步MDN

既然要使用貝塞爾曲線，很顯然我們的資料是不夠用的，要完整描述一個二次貝塞爾曲線，我們需要：起始點、控制點和終點，這些資料怎麼來呢？

有一個很巧妙的演算法可以幫助我們獲取這些資訊

獲取二次貝塞爾關鍵點的演算法

這個演算法並不難理解，這裡我直接舉例子吧：

  1. 假設我們在一次繪畫中共採集到6個滑鼠座標，分別是A, B, C, D, E, F；
  2. 取前面的A, B, C三點，計算出B和C的中點B1，以A為起點，B為控制點，B1為終點，利用quadraticCurveTo繪製一條二次貝塞爾曲線線段；
    howToDrawLineSmoothly_2
  3. 接下來，計算得出C與D點的中點C1，以B1為起點、C為控制點、C1為終點繼續繪製曲線；
    howToDrawLineSmoothly_3
  4. 依次類推不斷繪製下去，當到最後一個點F時，則以D和E的中點D1為起點，以E為控制點，F為終點結束貝塞爾曲線。
    howToDrawLineSmoothly_4

OK，演算法就是這樣，那我們基於該演算法再對現有程式碼進行一次升級改造：

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

// 設定線條顏色
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();
}
複製程式碼

在原有的基礎上，我們建立了一個變數points用於儲存之前mousemove事件中滑鼠經過的點，根據該演算法可知要繪製二次貝塞爾曲線起碼需要3個點以上，因此我們只有在points中的點數大於3時才開始繪製。接下來的處理就跟該演算法一毛一樣了，這裡不再贅述。

程式碼更新後我們的曲線也變得平滑了許多，如下圖所示：

howToDrawLineSmoothly_5

本文到這裡就結束了，希望大家在canvas畫板中“畫”得愉快~我們下次再見：）

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