✏️ 从点到线，从线到画：Canvas 画笔工具的实现艺术
💡 画笔工具是地图设计中最基础也最重要的工具之一。本文将带你探索 51mazi 项目中画笔工具的实现思路，从点坐标收集到平滑曲线生成，从 perfect-freehand 算法到实时渲染优化，揭秘如何打造一个流畅自然的画笔体验。
📋 目录
🎯 功能简介
画笔工具是地图设计工具中的"手绘神器"，让用户可以像在纸上画画一样自由绘制。在 51mazi 的地图设计工具中，画笔工具不仅仅是一个简单的线条绘制功能，而是一个集成了平滑算法、实时渲染、参数控制等多项技术的完整解决方案。
✏️ 功能特性
- ✅ 平滑绘制: 基于 perfect-freehand 算法，生成自然流畅的画笔效果
- ✅ 实时预览: 绘制过程中实时显示画笔轨迹，体验流畅
- ✅ 参数控制: 支持颜色、大小、透明度等参数自定义
- ✅ 压力模拟: 模拟真实画笔的压力变化，让线条更自然
- ✅ 完整历史记录: 支持撤销/重做，操作可追溯
🖼️ 使用场景
在地图设计中，画笔工具常用于：
- 🗺️ 绘制地形轮廓（山脉、河流、海岸线等）
- ✍️ 手绘标记和注释
- 🎨 自由创作和草图绘制
地图设计工具中的画笔工具 - 流畅自然的绘制体验
🔬 核心算法：perfect-freehand
算法原理
perfect-freehand 是一个专门用于生成平滑手绘线条的算法库，它的核心思想是：
- 收集点坐标: 记录鼠标移动过程中的所有点
- 平滑处理: 对点序列进行平滑处理，消除抖动
- 压力模拟: 根据速度变化模拟压力，让线条有粗细变化
- 生成路径: 将处理后的点转换为平滑的路径
- 填充绘制: 使用填充而非描边，生成更自然的画笔效果
为什么选择 perfect-freehand？
- 🎨 自然效果: 生成的线条更接近真实手绘效果
- ⚡ 性能优秀: 算法高效，适合实时绘制
- 🔧 易于集成: API 简洁，易于使用和定制
- 📦 轻量级: 库体积小，不影响应用性能
算法使用
javascript
import { getStroke } from 'perfect-freehand'
// 配置参数
const options = {
size: strokeWidth, // 画笔大小
thinning: 0.6, // 压力变化强度
smoothing: 0.5, // 平滑度
streamline: 0.5, // 流线化程度
easing: (t) => Math.sin((t * Math.PI) / 2), // 缓动函数
simulatePressure: true // 模拟压力
}
// 将点数组转换为路径
const inputPoints = points.map(p => [p.x, p.y])
const stroke = getStroke(inputPoints, options)
// 绘制路径
ctx.beginPath()
ctx.moveTo(stroke[0][0], stroke[0][1])
for (let i = 1; i < stroke.length; i++) {
ctx.lineTo(stroke[i][0], stroke[i][1])
}
ctx.closePath()
ctx.fill()参数说明:
size: 画笔的基础大小thinning: 控制线条粗细变化，值越大变化越明显smoothing: 控制平滑程度，值越大线条越平滑streamline: 控制流线化程度，让线条更流畅simulatePressure: 是否模拟压力，根据速度变化调整粗细
💡 完整算法实现请查看 : src/renderer/src/composables/map/useRender.js
🎯 技术挑战
挑战 1: 点坐标的收集与存储
在绘制过程中，需要实时收集鼠标移动的点坐标：
javascript
function onMouseDown(pos) {
// 开始新的画笔路径
elements.currentFreeDrawPath.value = {
type: 'freedraw',
points: [{ x: pos.x, y: pos.y }], // 初始化第一个点
color: color.value,
strokeWidth: size.value,
opacity: opacity.value,
id: Date.now().toString()
}
}
function onMouseMove(pos) {
// 添加点到当前路径
elements.currentFreeDrawPath.value.points.push({ x: pos.x, y: pos.y })
// 实时渲染
renderCanvas(false)
}关键点:
- ✅ 使用数组存储点序列，保持顺序
- ✅ 实时添加点，确保轨迹完整
- ✅ 每次移动都触发渲染，保证流畅性
挑战 2: 实时渲染的性能
绘制过程中需要频繁渲染，性能优化至关重要：
javascript
function onMouseMove(pos) {
if (elements.currentFreeDrawPath.value) {
elements.currentFreeDrawPath.value.points.push({ x: pos.x, y: pos.y })
// 不更新边界，避免频繁计算导致性能问题
renderCanvas(false)
}
}
function onMouseUp() {
// 绘制完成时才更新边界
renderCanvas(true)
}优化策略:
- ⚡ 绘制过程中不更新边界（
renderCanvas(false)） - ⚡ 只在绘制完成时更新边界（
renderCanvas(true)） - ⚡ 减少不必要的计算，提升渲染性能
挑战 3: 路径的平滑处理
原始的点序列可能存在抖动，需要通过算法平滑处理：
javascript
const options = {
smoothing: 0.5, // 平滑度：值越大越平滑
streamline: 0.5, // 流线化：让线条更流畅
thinning: 0.6 // 压力变化：模拟真实画笔
}效果对比:
- ❌ 未处理: 线条锯齿明显，不够平滑
- ✅ 处理后: 线条流畅自然，接近手绘效果
挑战 4: 透明度的处理
支持透明度控制，让画笔效果更丰富：
javascript
ctx.save()
ctx.globalAlpha = (element.opacity || 100) / 100
ctx.fillStyle = element.color
// 绘制路径
ctx.fill()
ctx.restore()✨ 实现亮点
1. 模块化的 Composables 架构
画笔工具采用 Composables 架构，实现了高内聚、低耦合：
javascript
export function usePencilTool({
canvasRef,
elements,
history,
renderCanvas,
color,
size,
opacity
}) {
const drawingActive = ref(false)
function onMouseDown(pos) { /* ... */ }
function onMouseMove(pos) { /* ... */ }
function onMouseUp() { /* ... */ }
return {
drawingActive,
onMouseDown,
onMouseMove,
onMouseUp
}
}优势:
- ✅ 代码组织清晰，易于维护
- ✅ 功能独立，便于测试
- ✅ 可复用性强，易于扩展
2. 状态管理
使用响应式状态管理绘制状态：
javascript
const drawingActive = ref(false) // 是否正在绘制
const lastPoint = ref({ x: 0, y: 0 }) // 上一个点
// 在绘制过程中更新状态
function onMouseDown(pos) {
drawingActive.value = true
lastPoint.value = { ...pos }
}3. 历史记录集成
完整的撤销/重做支持：
javascript
function onMouseDown(pos) {
history.value.saveState() // 开始绘制前保存状态
}
function onMouseUp() {
if (elements.currentFreeDrawPath.value.points.length > 1) {
elements.freeDrawElements.value.push({ ...elements.currentFreeDrawPath.value })
history.value.saveState() // 绘制完成后保存状态
}
}4. 路径数据结构
清晰的数据结构设计：
javascript
{
type: 'freedraw',
points: [
{ x: 100, y: 200 },
{ x: 105, y: 205 },
// ... 更多点
],
color: '#222222',
strokeWidth: 5,
opacity: 100,
id: '1234567890'
}设计考虑:
- ✅ 使用点数组存储路径，便于序列化
- ✅ 包含所有必要属性，支持完整恢复
- ✅ 唯一 ID 便于元素管理
💡 完整实现代码请查看 : src/renderer/src/composables/map/tools/usePencilTool.js
⚡ 性能优化
1. 延迟边界更新
绘制过程中不更新边界，减少计算开销：
javascript
// 绘制过程中：不更新边界
renderCanvas(false)
// 绘制完成：更新边界
renderCanvas(true)优化效果:
- ⚡ 减少边界计算次数
- ⚡ 提升绘制流畅度
- ⚡ 降低 CPU 占用
2. 点数组优化
合理控制点数组大小，避免内存占用过大：
javascript
// 只在绘制完成时添加到元素数组
if (elements.currentFreeDrawPath.value.points.length > 1) {
elements.freeDrawElements.value.push({ ...elements.currentFreeDrawPath.value })
}3. 渲染优化
使用 Canvas 的高效绘制 API：
javascript
// 使用 fill 而非 stroke，效果更自然
ctx.fillStyle = element.color
ctx.fill()4. 状态清理
及时清理临时状态，避免内存泄漏：
javascript
function onMouseUp() {
// 完成绘制后清理临时路径
elements.currentFreeDrawPath.value = null
drawingActive.value = false
}📊 实现流程图
markdown
用户按下鼠标
↓
创建新的画笔路径
├─ 初始化点数组
├─ 设置颜色、大小、透明度
└─ 保存历史状态
↓
鼠标移动
├─ 添加点到路径
└─ 实时渲染（不更新边界）
↓
继续移动...
↓
用户释放鼠标
├─ 检查路径有效性（至少2个点）
├─ 添加到元素数组
├─ 更新边界
└─ 保存历史状态
↓
完成绘制📝 总结
画笔工具虽然看似简单，但实现过程中涉及了多个技术领域：
- 🎨 算法应用: perfect-freehand 算法的集成和使用
- 📊 状态管理: 响应式状态的管理和同步
- ⚡ 性能优化: 实时渲染的性能优化策略
- 🔄 历史记录: 完整的撤销/重做支持
- 🏗️ 架构设计: 模块化的 Composables 架构
通过模块化的 Composables 架构，我们将画笔工具封装为独立的 usePencilTool，实现了高内聚、低耦合的代码结构，便于维护和扩展。
🚀 下一步探索
如果你想深入了解：
- 📖 完整代码实现 : 查看 usePencilTool.js
- 🎨 渲染系统 : 查看 useRender.js
- 🗺️ 地图设计工具 : 查看 MapDesign.vue
- 📚 perfect-freehand : 查看 perfect-freehand 文档
📚 相关链接
- 项目地址 : GitHub - 51mazi，给个 Star 哦~
- 画笔工具代码 : src/renderer/src/composables/map/tools/usePencilTool.js
- 渲染函数 : src/renderer/src/composables/map/useRender.js
- perfect-freehand 库 : perfect-freehand
- 技术栈: Vue 3 + Canvas + perfect-freehand + Composables
🏷️ 标签
#Canvas #perfect-freehand #画笔工具 #平滑绘制 #实时渲染 #Vue3 #前端开发 #性能优化 #Composables
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