水波圖實現原理

止戰之殤發表於2018-07-19

在專案中自己使用 Canvas 實現了一下水波圖，在這裡給大家分享一下它的實現原理。一開始看到波浪，可能不知道從何入手，我們來看看波浪的特徵就會有靈感了。

沒錯，有人肯定會想到，就是 正餘弦曲線！對於波陡很小的波動，一般選擇正弦或餘弦的曲線來表示波形，這是最簡單而又最接近實際波形的表述。這裡我選擇了正弦曲線來實現。

在講實現思路之前，我們來回憶一下正弦曲線的基礎。

正弦曲線

正弦曲線公式：y = A sin(Bx + C) + D

振幅是 A，A 值越大，曲線更陡峭：

週期是 2π/B，B 值大於 1 時，B 值越大，週期越短，B 值小於 1 大於 0 時，週期變長：

相移是 −C/B，在 B 不變的情況，C 為正值時，曲線向左移動，C 為負值時，曲線向右移動：

垂直位移是 D，控制曲線上下移動：

實現思路

瞭解了正弦曲線的一些屬性，我們可以把這些屬性來控制波浪，

振幅：控制波浪的高度
週期：控制波浪的寬度
相移：控制波浪的水平移動
垂直位移：控制水位的高度

動畫效果的實現主要是利用相移，通過不斷水平移動曲線，產出波浪移動的感覺，然後可以繪製多條曲線，曲線之間通過控制屬性（高度、寬度、移動速度），產生視覺差，就會有波浪起伏的感覺了。

有了這些思路，我們來慢慢實現。

曲線繪製

初始化，定義 Canvas 的寬高：

componentDidMount() {
  const self = this;
  const canvas = this.refs.canvas;
  canvas.height = 500;
  canvas.width = 500;
  this.canvas = canvas;
  this.canvasWidth = canvas.width;
  this.canvasHeight = canvas.height;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  this.drawSin(ctx);
}
render() {
  return (
    <div className="content page">
      <canvas ref="canvas"></canvas>
    </div>
  );
}
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根據定義波浪的引數配置，通過公式： y = 波浪高度 * sin(x * 波浪寬度 + 水平位移)，來繪製正弦曲線：

drawSin(ctx) {
  const points = [];
  const canvasWidth = this.canvasWidth;
  const canvasHeight = this.canvasHeight;
  const startX = 0;
  const waveWidth = 0.05; // 波浪寬度,數越小越寬
  const waveHeight = 20; // 波浪高度,數越大越高
  const xOffset = 0; // 水平位移

  ctx.beginPath();
  for (let x = startX; x < startX + canvasWidth; x += 20 / canvasWidth) {
    const y = waveHeight * Math.sin((startX + x) * waveWidth + xOffset);
    points.push([x, (canvasHeight / 2) + y]);
    ctx.lineTo(x, (canvasHeight / 2) + y);
  }
  ctx.lineTo(canvasWidth, canvasHeight);
  ctx.lineTo(startX, canvasHeight);
  ctx.lineTo(points[0][0], points[0][1]);
  ctx.stroke();
}
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曲線繪製完，這時曲線是靜態的，如何讓它動起來？前面思路提到，可以通過不斷改變水平偏移（xOffset），讓曲線水平移動，即可產生動態的效果。

componentDidMount() {
  ...
  this.xOffset = 0;  // 初始偏移
  this.speed = 0.1;  // 偏移速度
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this, canvas));
}

draw() {
  const canvas = this.canvas;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  // 曲線繪製
  this.drawSin(ctx, this.xOffset);
  this.xOffset += this.speed;
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this));
}

drawSin(ctx, xOffset = 0) {
  ...
}
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球型繪製

現在我們雛形已經出來了，曲線和動態效果已經實現，上面可以看成是水裝在一個長方體上，如果讓水裝在一個球體上？這裡我們用到了 Canvas 的 clip() 方法來定義剪下區域，定義了剪下區域後，瀏覽器會將所有的繪圖操作都限制在本區域內執行，所以我們可以先畫一個圓，定義後面繪製的區域只能在這個圓的區域內，超出部分就不顯示，這樣就能形成浪在一個球體中的效果了。

draw() {
  ...
  if (!this.isDrawCircle) {
    this.drawCircle(ctx);
  }
  this.drawSin(ctx, this.xOffset);
  this.xOffset += this.speed;
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this));
}

drawCircle(ctx) {
  const r = this.canvasWidth / 2;
  const lineWidth = 5;
  const cR = r - (lineWidth);
  ctx.lineWidth = lineWidth;
  ctx.beginPath();
  ctx.arc(r, r, cR, 0, 2 * Math.PI);
  ctx.stroke();
  ctx.clip();
  this.isDrawCircle = true;
}
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水位控制

是不是有點感覺了，目前還差一點，就是控制水位，也就是對映到資料的百分比。前面如果有留意的話，會發現正弦曲線 y 座標的計算，最後會加上 canvasHeight / 2 ，其實這裡就是設定水位了。我們來看看：y = A sin(Bx + C) + D，曲線的高度有 A 和 D 決定，A 控制波浪的高度，實際水位還是由 D 來控制。水位的高度，在視覺化上含義就是資料的百分比，假設目前的百分比80%，水位的高度就 canvasHeight * 0.8，對映到座標系統 y 的座標就是 canvasHeight * (1 - 0.8)。（座標原點在左上角）。在動畫效果上除了正弦曲線的水平移動，我們加上水位上升的動效：

componentDidMount() {
  ...
  this.xOffset = 0;
  this.speed = 0.1;
  // 水位數值
  this.rangeValue = 0.6;
  // 初始水位
  this.nowRange = 0;
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this, canvas));
}

draw() {
  ...
  this.drawSin(ctx, this.xOffset, this.nowRange);
  this.xOffset += this.speed;
  if (this.nowRange < this.rangeValue) {
    this.nowRange += 0.01;
  }
  requestAnimationFrame(this.draw.bind(this));
}

drawCircle(ctx) {
  ...
}

drawSin(ctx, xOffset = 0, nowRange = 0) {
  ...
  for (let x = startX; x < startX + canvasWidth; x += 20 / canvasWidth) {
    const y = waveHeight * Math.sin((startX + x) * waveWidth + xOffset);
    points.push([x, (1 - nowRange) * canvasHeight + y]);
    ctx.lineTo(x, (1 - nowRange) * canvasHeight + y);
  }
  ...
}
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