canvas進階——如何畫出平滑的曲線?

背景概要

相信大家平時在學習canvas 或項目開發中使用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代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');

        // 設置線條顏色
        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>

它的實現邏輯也很簡單：

我們在canvas畫布上主要監聽了三個事件：mousedown、mouseup和mousemove，同時我們也創建了一個isDown變量；
當用戶按下鼠標（mousedown，即起筆）時將isDown置爲true，而放下鼠標（mouseup）的時候將它置爲false，這樣做的好處就是可以判斷用戶當前是否處於繪畫狀態；
通過mousemove事件不斷採集鼠標經過的座標點，當且僅當isDown爲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接、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：

爲什麼會這樣呢？

問題分析

出現該現象的原因主要是：

我們是以canvas的lineTo方法連接點的，連接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；
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鼠標的座標的，因此鼠標移動的越快，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)

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

更多詳細的信息可移步MDN

既然要使用貝塞爾曲線，很顯然我們的數據是不夠用的，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，這些數據怎麼來呢？

有一個很巧妙的算法可以幫助我們獲取這些信息

獲取二次貝塞爾關鍵點的算法

這個算法並不難理解，這裏我直接舉例子吧：

假設我們在一次繪畫中共採集到6個鼠標座標，分別是A, B, C, D, E, F；
取前面的A, B, C三點，計算出B和C的中點B1，以A爲起點，B爲控制點，B1爲終點，利用quadraticCurveTo繪製一條二次貝塞爾曲線線段；
接下來，計算得出C與D點的中點C1，以B1爲起點、C爲控制點、C1爲終點繼續繪製曲線；
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爲起點，以E爲控制點，F爲終點結束貝塞爾曲線。

OK，算法就是這樣，那我們基於該算法再對現有代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');

// 設置線條顏色
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();
}

在原有的基礎上，我們創建了一個變量points用於保存之前mousemove事件中鼠標經過的點，根據該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時纔開始繪製。接下來的處理就跟該算法一毛一樣了，這裏不再贅述。

代碼更新後我們的曲線也變得平滑了許多，如下圖所示：

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

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canvas進階——如何畫出平滑的曲線?

背景概要

問題分析

如何才能畫出平滑的曲線?

二次貝塞爾曲線

獲取二次貝塞爾關鍵點的算法

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