使用canvas画布可以做的一些有意思的事情

qiuwww2023-10-07 20:49

介绍

Canvas API 提供了一个通过 JavaScript 和 HTML 的<canvas>元素来绘制图形的方式。它可以用于动画、游戏画面、数据可视化、图片编辑以及实时视频处理等方面。

Canvas API 主要聚焦于 2D 图形。而同样使用<canvas>元素的 WebGL API 则用于绘制硬件加速的 2D 和 3D 图形。

canvas出来也有些年头了，对于前端开发来说是一个非常有用的工具，在大多小程序内也是可以使用，在原生app内也是有类似的canvas画布，操作接口差别并不大。

canvas性能相对于网页会高一些，以前就有见过有人研究网站全部使用canvas来绘制的。但是这肯定不属于canvas的强项，canvas能做的有意思的事情有很多。

mdn的canvas文档。

日常开发中的一些使用场景

  1. 绘制一些图表，图标等；
  2. 对网页进行图片转换；
  3. 对图片进行合并、裁剪等；
  4. 对于图片进行像素级的处理；
    1. 如对比图片、图片反色、图片马赛克等；
  5. 开发一些小游戏；
  6. 开发一些3d的功能；
  7. 绘制一些图形；
    1. 如画板工具等；
    2. 绘制函数图像；
    3. 绘制分形图；

基本图形的绘制

示例代码:https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/%E7%BB%98%E5%88%B6%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%9B%BE%E5%BD%A2。

一些基本图形绘制实例：

获取ctx操作对象

  1. 获取ctx操作对象，渲染上下文，const ctx = document.getElementById('canvas').getContext('2d');，获取当前的绘制上下文，渲染上下文（The rendering context）；
    1. "2d"表示建立一个 CanvasRenderingContext2D 二维渲染上下文，其他可选的参数，如：
      1. "webgl"：用来创建一个三维渲染上下文；
      2. "webgl2"；
      3. "bitmaprenderer"：建一个只提供将 canvas 内容替换为指定ImageBitmap功能的上下文；
js 复制代码 
// 兼容形式获取ctx
var canvas = document.getElementById("canvas");

if (canvas.getContext) {
  var ctx = canvas.getContext("2d");
  // drawing code here
} else {
  // canvas-unsupported code here
}

ctx对象属性:

基本接口

  1. ctx.beginPath();，是 Canvas 2D API 通过清空子路径列表开始一个新路径的方法。当你想创建一个新的路径时，调用此方法，开始一个新路径；
    1. 不是开启新的路径，就不需要调用ctx.beginPath();；
  2. ctx.closePath();，将笔点返回到当前子路径起始点的方法 。它尝试从当前点到起始点绘制一条直线。如果图形已经是封闭的或者只有一个点，那么此方法不会做任何操作 ；
    1. 对于绘制一个矩形，就相当于第四个点到第一个点的这条线的ctx.moveTo() => ctx.lintTo()操作；
    2. 对于非封闭图形没什么用，一般只会用在moveTo + lineTo这类的操作上；
  3. 路径绘制；
    1. ctx.lineTo()；
    2. ctx.moveTo()；
  4. ctx.clearRect()是 Canvas 2D API 的方法，这个方法通过把像素设置为透明以达到擦除一个矩形区域的目的 ；
    1. 这里在canvas绘制动画的时候，需要不断的clear前面绘制的结果；
  5. ctx.fill()填充，是 Canvas 2D API 根据当前的填充样式，填充当前或已存在的路径的方法。采取非零环绕或者奇偶环绕规则；
    1. 封闭区域填充；
    2. 通过ctx.fillStyle();，设置填充颜色；
  6. ctx.stroke描边，是 Canvas 2D API 使用非零环绕规则，根据当前的画线样式，绘制当前或已经存在的路径的方法；
    1. 与fill类似，都是绘制前面的绘图样式，对路径进行描边；
  7. 便捷的操作 ，如绘制一个矩形，填充一个圆等；
    1. ctx.fillRect()；
    2. ctx.fillText()；
    3. ctx.rect()；
      1. 后续你可以填充或者描边矩形；
    4. ctx.arc()是 Canvas 2D API 绘制圆弧路径的方法。圆弧路径的圆心在 (x, y) 位置，半径为 r，根据anticlockwise （默认为顺时针）指定的方向从 startAngle 开始绘制，到 endAngle 结束；
      1. ctx.arc(x, y, radius, startAngle, endAngle, anticlockwise);，这里设置endAngle - startAngle >= 2 * Math.PI，就会得到一个圆；
    5. ctx.strokeRect()是 Canvas 2D API 在 canvas 中，使用当前的绘画样式，描绘一个起点在 (x, y)、宽度为 w、高度为 h 的矩形的方法；
    6. ctx.strokeText()是 Canvas 2D API 在给定的 (x, y) 位置绘制文本的方法。如果提供了表示最大值的第四个参数，文本将会缩放适应宽度；
      1. 可以用来绘制镂空的文字；
    7. ctx.roundRect()圆角矩形；
    8. 二次贝塞尔曲线及三次贝塞尔曲线：
      1. ctx.quadraticCurveTo(cp1x, cp1y, x, y)：绘制二次贝塞尔曲线，cp1x,cp1y 为一个控制点，x,y 为结束点;
      2. ctx.bezierCurveTo(cp1x, cp1y, cp2x, cp2y, x, y)：绘制三次贝塞尔曲线，cp1x,cp1y为控制点一，cp2x,cp2y为控制点二，x,y为结束点；
  8. 变换操作，类似于transform/translate的一系列操作：
    1. ctx.scale()是 Canvas 2D API 根据 x 水平方向和 y 垂直方向，为 canvas 单位添加缩放变换的方法；
    2. ctx.rotate()是 Canvas 2D API 在变换矩阵中增加旋转的方法。角度变量表示一个顺时针旋转角度并且用弧度表示；
    3. ctx.translate()方法对当前网格添加平移变换的方法；
    4. ctx.transform()是 Canvas 2D API 使用矩阵多次叠加当前变换的方法，矩阵由方法的参数进行描述。你可以缩放、旋转、移动和倾斜上下文；
    5. setTransform()是 Canvas 2D API 使用单位矩阵重新设置（覆盖）当前的变换并调用变换的方法，此变换由方法的变量进行描述；
      1. 相对于transform，这里不会覆盖，会叠加；
  9. 状态记录操作：
    1. ctx.save()是 Canvas 2D API 通过将当前状态放入栈中，保存 canvas 全部状态的方法；
      1. 会将当前的各种设置的状态保存，然后在restore的时候，给后续的代码继续使用；
    2. ctx.restore()是 Canvas 2D API 通过在绘图状态栈中弹出顶端的状态 ，将 canvas 恢复到最近的保存状态的方法 。如果没有保存状态，此方法不做任何改变；
      1. 使用 save() 方法保存默认的状态，使用 restore() 进行恢复；
    3. ctx.reset()的方法将呈现上下文重置为其默认状态，允许将其重用于绘制其他内容，而无需显式重置所有属性；
      1. 重置将清除后备缓冲区、图形状态堆栈、任何定义的路径和样式。这包括当前变换矩阵、合成属性、剪切区域、虚线列表、线条样式、文本样式、阴影、图像平滑、滤镜等；
      2. 这里会清空前面绘制的所有的内容，但是后续新绘制的就不受影响，比如动画；
  10. ctx.measureText()，方法返回一个关于被测量文本TextMetrics 对象包含的信息（例如它的宽度）；
    1. 在设置元素位置的时候，可能首先去测量元素的宽度；
  11. 图片操作：
    1. ctx.getImageData()返回一个ImageData对象 ，用来描述 canvas 区域隐含的像素数据，这个区域通过矩形表示，起始点为*(sx, sy)、宽为sw、高为sh。*；
      1. ImageData对象：接口描述 <canvas> 元素的一个隐含像素数据的区域；
        1. 基于这个接口，可以对图片进行像素操作；
    2. ctx.putImageData(imageData, dx, dy, dirtyX, dirtyY, dirtyWidth, dirtyHeight)；是 Canvas 2D API 将数据从已有的 ImageData 对象绘制到位图的方法。如果提供了一个绘制过的矩形，则只绘制该矩形的像素。此方法不受画布转换矩阵的影响。
      1. ImageData() 构造函数返回一个新的实例化的 ImageData 对象，此对象由给定的类型化数组和指定的宽度与高度组成；
      2. new ImageData(array, width, height);；
    3. ctx.drawImage(image, sx, sy, sWidth, sHeight, dx, dy, dWidth, dHeight)，方法提供了多种在画布（Canvas）上绘制图像的方式。

canvas绘制动画的原理

周期性的调用绘制方法去绘制页面，同时修改部分属性，达到动画效果。通过加速或者减速实现加速度效果。

  1. 执行绘制的方法：
    1. 可以使用setTimeout/setInterval/requestFrameAnimation来进行固定频率的去执行一些绘制额操作；
      1. requestAnimationFrame(callback)将请求在浏览器执行下一次重绘之前调用您的动画函数。回调次数通常为每秒 60 次；
  2. 每次绘制前，需要clearRect，清空绘制的区域；
  3. 设置好一个动作后，调用save/restore，来保存这个过程；
  4. 具体的动作，如动态的变换一个属性，添加一些内容等。

canvas的事件处理原理

  1. 在canvas上绑定响应的事件，如click、mousedown、mousemove等；
  2. 后续的操作，主要就是判断当前的鼠标坐标，是不是在目标元素的正上方，可能会有z轴的叠加；
  3. 判断鼠标的坐标方法：
    1. 为了确定点击的是 canvas 中的哪个位置，你可以使用事件对象的坐标信息，例如 clientX 和 clientY 属性。使用这些坐标信息，你可以在 canvas 上进行图形识别，从而确定点击的具体位置；
    2. 一些内置的方法：
      1. ctx.isPointInPath()是 Canvas 2D API 用于判断在当前路径中是否包含检测点的方法；
      2. ctx.isPointInStroke()是 Canvas 2D API 用于检测某点是否在路径的描边线上的方法；

像素操作

示例代码:https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/%E5%83%8F%E7%B4%A0%E6%93%8D%E4%BD%9C

像素操作原理

  1. getImageData()返回一个ImageData对象，用来描述 canvas 区域隐含的像素数据，这个区域通过矩形表示，起始点为*(sx, sy)、宽为sw、高为sh。*；
  2. Uint8ClampedArray描述了一个一维数组，包含以 RGBA 顺序的数据，数据使用 0 至 255（包含）的整数表示。

添加各种滤镜

  1. 通过对像素值进行一系列操作，就可以实现一些特殊的效果：
    1. 黑白化：对数值大于127的设置为255，小于的设置为0；
    2. 马赛克：让一个区域的色值，复用区域内的某一个色值；
    3. 反色：直接用255减去当前的色值；
    4. 其他还有很多可操作的，如放大镜等，不一一列举；

检测图片的不同

  1. 获取两个图片的像素结果，结果应该是两个长度一致的一维数组；
    1. 依次按照RGBA的对应关系进行排布；
  2. 对比差异，只需要对响应位置的参数做差，然后重新绘制，就可以单独看到差异的地方；
    1. 大家来找茬这个游戏，就可以通过类似的方法进行操作，方便快捷的找到图片的不同点；

图片操作

使用canvas对图片进行操作，主要是将需要的图片绘制到canvas中，然后可以对图片进行拼接、裁剪、组合、缩放等；

示例代码:https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/%E5%9B%BE%E7%89%87%E6%93%8D%E4%BD%9C

图片合成 / 绘制海报 / 水印图片

就是将图片指定的区域，绘制到canvas的指定位置。只要是图片都可以组合，还可以借助前面的方法，对图片进行简单的处理。

html导出canvas，然后保存为图片

这里使用html2canvas这个包来操作，html转为canvas原理也不难，主要是一些兼容的语法与细节问题，核心就是将html结构化的内容，获取其各种属性（能描述网页的内容信息及样式的），然后逐个会知道目标canvas上，然后再导出为图片，以及进行后续的一些操作。

html2canvas 的原理简单来说就是遍历 dom 结构中的属性然后转化到 canvas 上来渲染出来。

分形图

这个很简单，主要是绘制一些线段与封闭图形。采用层级遍及 + 随机的方式，可以构建出来各种各样的图形，这里分享一些自己创建的图形。

示例代码:https://github.com/qiuwww/blog/blob/74f914c94945b57b9c10c3723f6ee493c9142298/0.2.HTML/canvas/%E5%88%86%E5%BD%A2%E5%87%A0%E4%BD%95。

碰撞检测

这个原理也很简单，只需要你在当前时间点，知道目标元素的位置，以及关联的其他元素的位置，然后通过计算就可以知道接下来是不是会发生碰撞，在一个距离范围内，就可以判定为发生了碰撞。这里通常会涉及到速度与加速度的问题。

通常使用直角坐标系进行计算，以左上为原点，下为y轴正方向，右为x轴正方向。

  1. 速度的累加就是距离原点的距离，通过距离 R 和角度 angle 来计算当前的位置；
  2. 根据当前的位置 + 速度 + 当前的角度来递推当前的位置，前面的累计都保存到当前的位置内。
  3. 发生碰撞后，直接将速度减慢

基本图形绘制里边介绍了一个平抛的小球与地面的碰撞，包括加速度、碰撞损耗、水平运动累加等；

如下是一段模仿水波的碰撞示例代码。

示例代码:https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/%E7%A2%B0%E6%92%9E%E6%A3%80%E6%B5%8B/%E6%B0%B4%E6%B3%A2

绘制函数

  1. 绘制函数，首先绘制坐标系，canvas的体系整体向右下方向为正，与日常的直角坐标系右上的方向，有一些出入，所以需要进行一定的坐标变换；比如以右下(300, 300)为原点，就需要x、y都加上300，然后去计算实际的位置；
  2. 这里绘制的都是一些线段，线宽为奇数不能被整除，导致绘制坐标为整数时，上下偏移出0.5像素。又由于0.5像素不能被显示，自动补足为1像素，于是整体像素+1；
    1. 就是要线条的坐标刚好在+0.5的位置上，这里整体向右下偏移0.5；
      1. 解决办法: var fix1px = (cxt.lineWidth % 2 === 0) ?0: 0.5;；
        1. x = x + fix1px；
        2. y = y + fix1px；
  3. 要注意坐标轴的刻度与绘制时候的真实长度，这里一般是有一个换算比例的；
  4. 内部容易遇到js计算精度的问题，要注意处理；
  5. 这里需要用到eval来直接计算表达式的值，得到y的坐标位置；
  6. 用到的Math，可以直接被eval处理；

示例代码:https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/canvas%E7%BB%98%E5%88%B6%E6%95%B0%E5%AD%A6%E5%87%BD%E6%95%B0

一些简单的函数图像

也可以自定义函数，需要完整的表达式，相乘需要添加*。

这里后续还可以做的吗，需要对输入进行格式化、函数坐标系可以添加网格、拖拽功能等。

绘图工具

主要功能：

  1. 一些基本的图形的绘制；
  2. 基本的样式设置；
  3. 事件操作，重新选择、删除等；

示例代码：https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/canvas-painter

开发一些小游戏

canvas可以绘制各种图形以及动画，开发一些可交互的小游戏，自然是可以的。比如一个典型的俄罗斯方块小游戏。

如下是自己学习的一个俄罗斯方块游戏。

俄罗斯方块游戏:https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/html5%E5%B0%8F%E6%B8%B8%E6%88%8F/h5%E6%96%B9%E5%9D%97%E6%B8%B8%E6%88%8F

一个基础的移动的元素：https://github.com/qiuwww/blog/blob/master/0.2.HTML/canvas/%E7%BB%98%E5%88%B6%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%9B%BE%E5%BD%A2/%E7%A7%BB%E5%8A%A8%E7%9A%84%E5%A4%A7%E5%98%B4.html

more

以上的内容主要介绍了canvas操作2d绘图的内容，使用canvas还可以进行3d的绘制，随着移动端设备性能的提高，这方面还是有很大的发展潜力的。主要webgl及相关的一些操作库。后续会继续介绍相关的内容。

canvas于svg比较类似，使用一些js库，可以操作这些载体，本质上都是对一些结构化的配置进行解析，生成目标元素。

canvas在node端的使用

  1. node环境也是能运行chrome浏览器的，所以自然可以进行相关的操作，能想到的一些应用场景；
    1. 自定义生成验证码；
    2. 对前端上传的图片进行相关的操作，如压缩，解析等；

参考

  1. mdn Canvas_API；
  2. CanvasPainter；
  3. node-canvas；
  4. qrcode-reader；
  5. canvas-engine；
  6. canvas线条1px模糊问题；
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