Question

如何用Canvas绘制多种图形

Answer 1

HTML5 的标准已经出来好久了，但是似乎其中的 Canvas 现在并没有在太多的地方用到。一个很重要的原因是，Canvas 的标准还没有完全确定，不适合大规模用在生产环境。但是，Canvas 的优点也是很明显的，例如在绘制含有大量元素的图表的时候，SVG 往往因为性能问题而无法胜任，例如我见过的一次技术分享会的抽奖环节，虽然效果比较炫，但因为每个头像都是 DOM，利用 CSS3 控制的动画，导致了性能非常低下。此外，随着硬件性能的提高，视频截图、图像处理等功能也逐渐可以在网页上实现了，大多数网站用的是 Flash，但是 Flash 在 Mac 电脑上性能不高，还需要学一些额外的知识。Canvas 则是直接使用 JavaScript 来进行绘图，对 Mac 友好，所以不失为 Flash 的一个继承者。

使用 Canvas
说了这么多，Canvas 究竟是个啥？
英文中 Canvas 的意思是“画布”，不过这里说的 Canvas 是 HTML5 中新出的一个元素，开发者可以在上面绘制一系列图形。Canvas 在 HTML 文件中的写法很简单：
<canvas id="canvas" width="宽度" height="高度"></canvas>

其中 id 属性是所有 HTML 元素都可以用的，Canvas 自带的属性只有后面两个（分别控制宽度、高度），没有其它的了。至于兼容性，CanIUse 上面写了，基础的功能目前用户使用的 90% 的浏览器都支持，所以大部分情况下还是可以放心使用的。

注意，一定要使用 Canvas 自带的 width 和 height 属性，不要使用 CSS 来控制，因为 CSS 控制会导致 Canvas 变形。可以试着与 PhptpShop 对比一下，后者是改变“图像大小”，前者才是正确的改变“画布大小”。例如下图是三张图片的横向拼接：最左边的黑框中是大小为 50px * 50px 的原图；中间是改变了图像大小为 100px * 100px 的效果，图像变得模糊，但是对于图像本身来说坐标范围并没有变大；最右边才是正确的 100px * 100px 的 Canvas。

Canvas 绝大部分的绘图方法都与 <canvas> 标签无关，需要使用 JavaScript 对其进行操作，这就是所谓的 Canvas API。
我们首先获取到这个元素：
var canvas = document.getElementById('canvas');

然后通过一个方法来获取可以调用一切 Canvas API 的入口：
var ctx = canvas.getContext('2d');

看到 2d 是不是很激动地联想到有没有 3d 呢？没有 3d 的写法，不过如果想要开启 3D 世界的大门，则可以写 canvas.getContext('webgl')。然而 WebGL 是基于 OpenGL ES 2.0 的一套标准，与本文是彻彻底底的两条路，因此这里就不讨论了。
Canvas 中的基本概念
坐标
与数学上常见的笛卡尔坐标系不太相同，Canvas 的坐标系是计算机中常见的坐标系，它长这样：

画布的最左上角是 (0,0)，往右 x 增大，往下 y 增大，而且 x 和 y 都是整数（就算在计算过程中不是整数，在绘制的时候也会当作整数处理），单位是像素。
绘图
带大家怀旧一下。不知道有多少同学小时候玩过 logo 语言，在里面你可以控制一只小海龟在一块板子上行走、画画、提笔、落笔。Canvas 中也一样，你需要控制一只画笔的移动和绘制。然而 Canvas 更高级一些，你可以直接利用一些函数来画图，不用去控制那只画笔的位置。
Canvas 中的基本图形
通过上文定义的 ctx 变量可以干许多有意思的事情，我们先看看如何绘制一些基本图形。
线条
我们指定画笔移动到某一点，然后告诉画笔需要从当前这一点画到另一点。我们可以让画笔多次移动、绘制，最后统一输出到屏幕上。例子如下：
ctx.moveTo(10, 10);
ctx.lineTo(150, 50);
ctx.lineTo(10, 50);
ctx.moveTo(10, 20);
ctx.lineTo(40, 70);
ctx.stroke();

上面的代码中，lineTo 是产生线条用的函数，执行完之后画笔就移到了线条的终点。需要注意的是，线条此时并没有显示在屏幕上，必须调用 stroke 才会显示。这样设计是有道理的，因为向屏幕上输出内容需要耗费大量的资源，我们完全可以先攒够一波 lineTo，最后用 stroke 放一个大的。
路径
绘制路径非常简单，只需要先告诉 ctx 一声“我要开始画路径了”，然后通过各种方法（例如 lineTo）绘制路径。如果需要画一个封闭路径，那就最后告诉 ctx一声：“我画完了，你把它封闭起来吧。”当然，不要忘记利用 stroke 输出到屏幕上。
一个简单的例子：
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(10, 10);
ctx.lineTo(150, 50);
ctx.lineTo(10, 50);
ctx.closePath();
ctx.stroke();

如果我不想只描绘路径线条，而是想填充整个路径呢？可以将最后一行的 stroke 改成 fill，这样就跟使用了画图中的油漆桶一样，封闭路径里面的内容就都被填充上颜色了：
ctx.fill();

弧 / 圆形
绘制弧的函数参数比较多：
ctx.arc(圆心 x 坐标, 圆心 y 坐标, 半径, 起始角度, 终止角度, 是否为逆时针);

注意，在 Canvas 的坐标系中，角的一边是以圆心为中心的水平向右的直线。角度单位均为弧度。例如下图，确定了圆心、起始角度（图中标明的锐角）和终止角度（图中标明的钝角），方向为逆时针，于是就有了这么一个弧。如果方向为顺时针，那么就会是一个跟它互补的、非常非常大的弧……

所以如果转了 2π 圈之后，弧就成了圆形，因此也可以使用绘制弧的方式来绘制圆形：
ctx.beginPath();
ctx.arc(圆心 x 坐标, 圆心 y 坐标, 半径, 0, Math.PI * 2, true);
ctx.closePath();

最后一个参数随便填（当然也可以不填），因为不管是顺时针还是逆时针，转了 2π 圈之后都是一个圆。
矩形
如果只是想绘制一个横平竖直的矩形，可以使用下面的两个方法：
// 只描边
ctx.strokeRect(左上角 x 坐标, 左上角 y 坐标, 宽度, 高度);
// 只填充
ctx.fillRect(左上角 x 坐标, 左上角 y 坐标, 宽度, 高度);

线条样式 / 填充样式
之前绘制的所有图形都是黑色的，但是 Canvas 肯定不止这么一种颜色（不然标准的制定者会被喷的很惨）。事实上，Canvas 可以单独设置线条样式和填充样式，分别使用的是 strokeStyle 和 fillStyle。可能的值有三种：纯色、渐变、图像。既然线条样式与填充样式的使用方法相同，那么下面统一以填充样式为例。如果想设置线条样式，直接将所有的 fillStyle改成 strokeStyle 即可，里面的参数都不变。
/* 纯色填充 */
// 普通的颜色
ctx.fillStyle = '#0000ff';
// 带有透明度的颜色
ctx.fillStyle = 'rgba(64, 0, 127, 0.5)';

/* 渐变填充 */
// 设置渐变的尺寸（参数分别为起始点的 x 和 y、终止点的 x 和 y）
var gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 170, 0);
// 设置过渡色，第一个参数是渐变的位置，第二个参数是颜色
gradient.addColorStop(0, 'magenta');
gradient.addColorStop(0.5, 'blue');
gradient.addColorStop(1.0, 'red');
// 设置填充样式
ctx.fillStyle = gradient;

/* 图片填充 */
// 创建图片
var image = new Image;
image.src = '/path/to/image.png';
// 创建图片笔触，可以指定图片的平铺方式，这里是横向平铺
var pattern = ctx.createPattern(image, 'repeat-x');
// 设置笔触填充
ctx.fillStyle = pattern;

关于渐变，除了代码中提到的线性渐变以外，还有 createRadialGradient，也就是径向渐变。
设置完填充样式之后，就可以使用 fill 来填充啦！如果设置的是线条样式，那么就可以使用 stroke 来描边。
当然，对于线条样式，还有个额外的方法叫 lineWidth 可以用来控制线条的宽度。
文字
要想在画布上画文字，首先需要知道所使用的字体和字号：
ctx.font = '30px Verdana';

然后就可以通过 strokeText 或者 fillText 来对字体描边或者填充字体。
ctx.strokeText("Hello Coding!", 23, 33);
ctx.fillText("Hello Coding!", 23, 66);

图片
在 Canvas 中绘制图片有三种方法：
// 指定绘制位置
ctx.drawImage(image, x, y);
// 指定绘制位置和图像宽高
ctx.drawImage(image, x, y, width, height);
// 指定剪裁区域、绘制位置和图像宽高
ctx.drawImage(image, sx, sy, swidth, sheight, x, y, width, height);

参数的含义依次如下：
image: 要使用的 Image、Canvas 或 Video
sx: 可选，开始剪切的 x 坐标
sy: 可选，开始剪切的 y 坐标
swidth: 可选，被剪切图像的宽度
sheight: 可选，被剪切图像的高度
x: 在画布上放置图像的 x 坐标
y: 在画布上放置图像的 y 坐标
width: 可选，要使用的图像的宽度
height: 可选，要使用的图像的高度

画布设置
细心的同学可能会发现，刚才有些属性是直接对 ctx 变量做设置，例如 ctx.lineWidth，只要设置了它，那么后续画出来的线条全都是这么个宽度。
其实，Canvas 的设置项还有许多，例如我们可以直接移动画布、旋转画布、设置全局的绘制透明度等等。这些设置还可以随时保存和恢复。
要注意的一点是，所有已经画在画布上的东西，是已经定死了的，不管之后再次进行任何设置都不会再改变。这个很像 Windows 下的画图程序。
废话不多说，直接上代码：
// 移动画布，其实就是移动坐标系
ctx.translate(往右移动的量, 往下移动的量);
// 旋转画布，旋转中心为坐标系原点
ctx.rotate(顺时针旋转的角度);
// 以坐标系原点为中心缩放画布
ctx.scale(横向放大倍数, 纵向放大倍数);
// 设置绘制透明度，如果 fillStyle 等属性设置了透明度则会叠加
ctx.globalAlpha(零到一的小数);
// 设置全局组合操作
ctx.globalCompositeOperation = 'lighter';
// 保存当前设置
ctx.save();
// 恢复上次保存的设置
ctx.restore();

移动、旋转、缩放其实就是在控制绘图的坐标系，如果你在调用这三个方法的时候，脑子里时刻有一个带刻度的坐标系，效果会非常好。
事实上，Canvas 的坐标变换遵循计算机图形学的知识：变换矩阵。简单来说，一个坐标可以看成是一个矩阵，坐标所对应的矩阵乘上变换矩阵就可以实现对坐标的变换。为了提升计算的效率，可以先计算出几种变换复合之后的变换矩阵，然后直接通过 transform 函数对当前坐标系进行变换，或者通过 setTransform 函数将坐标系重置为初始状态后再进行变换。至于变换矩阵的内容，对于本文来说就有些超纲了。
全局组合操作有点像 PhotoShop 里面的“混合选项”，具体的实现方式还没有完全确定，目前常见浏览器都统一了的实现方式有：source-over、source-atop、destination-over、destination-out、lighter、xor。具体的行为可以看 Mozilla 官方文档，但是由于标准还未完全确定，因此其它浏览器不保证所有的行为都跟 Mozilla 的标准一致。一般来说，比较常见的是 source-over 和 lighter 两种，这两种的标准在浏览器界也算是无可争议的。
至于保存和恢复设置就有点好玩了，首先需要了解一个叫“栈”的东西。
栈是一个一维数组，规定只能从一个方向操作。栈一开始是空的，我们可以从这个方向往数组 push 元素，也只能从这个方向把最后一个元素（栈顶元素）pop 出来，除此以外没有任何多余的操作。当然，pop 的次数不能多于 push 的次数，因为 pop 到栈底的时候栈里就已经没有元素了，此时再 pop 是没有意义的。栈的用处有很多，例如括号匹配、表达式求值、深度优先搜索，甚至绝大部分语言的函数调用都要用到栈。
每次我们调用 save 函数，实际上是将当前的全局设置 push 到了一个专门栈上，每次调用 restore 函数的时候将最后一次保存的内容 pop 出来并用它覆盖当前的全局设置，这样栈顶就是最近一次保存的内容了。保存和恢复在某些情况下很好用，例如我需要画一个歪着的图形，然后继续画正着的图形，这样就可以先调用 save，然后调用 rotate，画完图形之后再 restore 回来，继续画其它的图形。
其实 Canvas 还有许多方法，例如 toDataURL 直接将当前画布上的内容转换为十六进制的 data-url，getImageData直接将图像转换为 RGBA 数组以供图像处理算法使用，putImageData 将 RGBA 数组转换为图片显示在画布上等等。如果配上 JavaScript 的定时更新（最好用 requestAnimationFrame 而不是 setInterval），则可以产生动画效果。网上还有许多 Canvas 的库，可以让程序员更简便地基于 Canvas 编写属于自己的特效或功能。在这儿我想说一句话：大家的脑洞有多大，Canvas 的能力就有多强~