講一講 Canvas 究竟是個啥

HTML5 的標準已經出來好久了，但是似乎其中的 Canvas 現在并沒有在太多的地方用到。一個很重要的原因是，Canvas 的標準還沒有完全確定，不適合大規模用在生產環境。但是，Canvas 的優點也是很明顯的，例如在繪制含有大量元素的圖表的時候，SVG 往往因為性能問題而無法勝任，例如我見過的一次技術分享會的抽獎環節，雖然效果比較炫，但因為每個頭像都是 DOM，利用 CSS3 控制的動畫，導致了性能非常低下。此外，隨著硬件性能的提高，視頻截圖、圖像處理等功能也逐漸可以在網頁上實現了，大多數網站用的是 Flash，但是 Flash 在 Mac 電腦上性能不高，還需要學一些額外的知識。Canvas 則是直接使用 JavaScript 來進行繪圖，對 Mac 友好，所以不失為 Flash 的一個繼承者。

使用 Canvas

說了這么多，Canvas 究竟是個啥？

英文中 Canvas 的意思是“畫布”，不過這里說的 Canvas 是 HTML5 中新出的一個元素，開發者可以在上面繪制一系列圖形。Canvas 在 HTML 文件中的寫法很簡單：

<canvas id="canvas" width="寬度" height="高度"></canvas>

其中 id 屬性是所有 HTML 元素都可以用的，Canvas 自帶的屬性只有后面兩個（分別控制寬度、高度），沒有其它的了。至于兼容性， CanIUse 上面寫了，基礎的功能目前用戶使用的 90% 的瀏覽器都支持，所以大部分情況下還是可以放心使用的。

注意，一定要使用 Canvas 自帶的 width 和 height 屬性，不要使用 CSS 來控制，因為 CSS 控制會導致 Canvas 變形。可以試著與 PhptpShop 對比一下，后者是改變“圖像大小”，前者才是正確的改變“畫布大小”。例如下圖是三張圖片的橫向拼接：最左邊的黑框中是大小為 50px * 50px 的原圖；中間是改變了圖像大小為 100px * 100px 的效果，圖像變得模糊，但是對于圖像本身來說坐標范圍并沒有變大；最右邊才是正確的 100px * 100px 的 Canvas。

Canvas 絕大部分的繪圖方法都與 <canvas> 標簽無關，需要使用 JavaScript 對其進行操作，這就是所謂的 Canvas API。

我們首先獲取到這個元素：

var canvas = document.getElementById('canvas');

然后通過一個方法來獲取可以調用一切 Canvas API 的入口：

var ctx = canvas.getContext('2d');

看到 2d 是不是很激動地聯想到有沒有 3d 呢？沒有 3d 的寫法，不過如果想要開啟 3D 世界的大門，則可以寫 canvas.getContext('webgl') 。然而 WebGL 是基于 OpenGL ES 2.0 的一套標準，與本文是徹徹底底的兩條路，因此這里就不討論了。

Canvas 中的基本概念

坐標

與數學上常見的笛卡爾坐標系不太相同，Canvas 的坐標系是計算機中常見的坐標系，它長這樣：

畫布的最左上角是 (0,0)，往右 x 增大，往下 y 增大，而且 x 和 y 都是整數（就算在計算過程中不是整數，在繪制的時候也會當作整數處理），單位是像素。

繪圖

帶大家懷舊一下。不知道有多少同學小時候玩過 logo 語言，在里面你可以控制一只小海龜在一塊板子上行走、畫畫、提筆、落筆。Canvas 中也一樣，你需要控制一只畫筆的移動和繪制。然而 Canvas 更高級一些，你可以直接利用一些函數來畫圖，不用去控制那只畫筆的位置。

Canvas 中的基本圖形

通過上文定義的 ctx 變量可以干許多有意思的事情，我們先看看如何繪制一些基本圖形。

線條

我們指定畫筆移動到某一點，然后告訴畫筆需要從當前這一點畫到另一點。我們可以讓畫筆多次移動、繪制，最后統一輸出到屏幕上。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();

上面的代碼中， lineTo 是產生線條用的函數，執行完之后畫筆就移到了線條的終點。需要注意的是，線條此時并沒有顯示在屏幕上，必須調用 stroke 才會顯示。這樣設計是有道理的，因為向屏幕上輸出內容需要耗費大量的資源，我們完全可以先攢夠一波 lineTo ，最后用 stroke 放一個大的。

路徑

繪制路徑非常簡單，只需要先告訴 ctx 一聲“我要開始畫路徑了”，然后通過各種方法（例如 lineTo ）繪制路徑。如果需要畫一個封閉路徑，那就最后告訴 ctx 一聲：“我畫完了，你把它封閉起來吧。”當然，不要忘記利用 stroke 輸出到屏幕上。

一個簡單的例子：

ctx.beginPath();
ctx.moveTo(10, 10);
ctx.lineTo(150, 50);
ctx.lineTo(10, 50);
ctx.closePath();
ctx.stroke();

如果我不想只描繪路徑線條，而是想填充整個路徑呢？可以將最后一行的 stroke 改成 fill ，這樣就跟使用了畫圖中的油漆桶一樣，封閉路徑里面的內容就都被填充上顏色了：

ctx.fill();

弧 / 圓形

繪制弧的函數參數比較多：

ctx.arc(圓心 x 坐標, 圓心 y 坐標, 半徑, 起始角度, 終止角度, 是否為逆時針);

注意，在 Canvas 的坐標系中，角的一邊是以圓心為中心的水平向右的直線。角度單位均為弧度。例如下圖，確定了圓心、起始角度（圖中標明的銳角）和終止角度（圖中標明的鈍角），方向為逆時針，于是就有了這么一個弧。如果方向為順時針，那么就會是一個跟它互補的、非常非常大的弧……

所以如果轉了 2π 圈之后，弧就成了圓形，因此也可以使用繪制弧的方式來繪制圓形：

ctx.beginPath();
ctx.arc(圓心 x 坐標, 圓心 y 坐標, 半徑, 0, Math.PI * 2, true);
ctx.closePath();

最后一個參數隨便填（當然也可以不填），因為不管是順時針還是逆時針，轉了 2π 圈之后都是一個圓。

矩形

如果只是想繪制一個橫平豎直的矩形，可以使用下面的兩個方法：

// 只描邊
ctx.strokeRect(左上角 x 坐標, 左上角 y 坐標, 寬度, 高度);
// 只填充
ctx.fillRect(左上角 x 坐標, 左上角 y 坐標, 寬度, 高度);

線條樣式 / 填充樣式

之前繪制的所有圖形都是黑色的，但是 Canvas 肯定不止這么一種顏色（不然標準的制定者會被噴的很慘）。事實上，Canvas 可以單獨設置線條樣式和填充樣式，分別使用的是 strokeStyle 和 fillStyle 。可能的值有三種：純色、漸變、圖像。既然線條樣式與填充樣式的使用方法相同，那么下面統一以填充樣式為例。如果想設置線條樣式，直接將所有的 fillStyle 改成 strokeStyle 即可，里面的參數都不變。

/* 純色填充 */
// 普通的顏色
ctx.fillStyle = '#0000ff';
// 帶有透明度的顏色
ctx.fillStyle = 'rgba(64, 0, 127, 0.5)';

/* 漸變填充 */
// 設置漸變的尺寸（參數分別為起始點的 x 和 y、終止點的 x 和 y）
var gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 170, 0);
// 設置過渡色，第一個參數是漸變的位置，第二個參數是顏色
gradient.addColorStop(0, 'magenta');
gradient.addColorStop(0.5, 'blue');
gradient.addColorStop(1.0, 'red');
// 設置填充樣式
ctx.fillStyle = gradient;

/* 圖片填充 */
// 創建圖片
var image = new Image;
image.src = '/path/to/image.png';
// 創建圖片筆觸，可以指定圖片的平鋪方式，這里是橫向平鋪
var pattern = ctx.createPattern(image, 'repeat-x');
// 設置筆觸填充
ctx.fillStyle = pattern;

關于漸變，除了代碼中提到的線性漸變以外，還有 createRadialGradient ，也就是徑向漸變。

設置完填充樣式之后，就可以使用 fill 來填充啦！如果設置的是線條樣式，那么就可以使用 stroke 來描邊。

當然，對于線條樣式，還有個額外的方法叫 lineWidth 可以用來控制線條的寬度。

文字

要想在畫布上畫文字，首先需要知道所使用的字體和字號：

ctx.font = '30px Verdana';

然后就可以通過 strokeText 或者 fillText 來對字體描邊或者填充字體。

ctx.strokeText("Hello Coding!", 23, 33);
ctx.fillText("Hello Coding!", 23, 66);

圖片

在 Canvas 中繪制圖片有三種方法：

// 指定繪制位置
ctx.drawImage(image, x, y);
// 指定繪制位置和圖像寬高
ctx.drawImage(image, x, y, width, height);
// 指定剪裁區域、繪制位置和圖像寬高
ctx.drawImage(image, sx, sy, swidth, sheight, x, y, width, height);

參數的含義依次如下：

image:   要使用的 Image、Canvas 或 Video
sx:      可選，開始剪切的 x 坐標
sy:      可選，開始剪切的 y 坐標
swidth:  可選，被剪切圖像的寬度
sheight: 可選，被剪切圖像的高度
x:       在畫布上放置圖像的 x 坐標
y:       在畫布上放置圖像的 y 坐標
width:   可選，要使用的圖像的寬度
height:  可選，要使用的圖像的高度

畫布設置

細心的同學可能會發現，剛才有些屬性是直接對 ctx 變量做設置，例如 ctx.lineWidth ，只要設置了它，那么后續畫出來的線條全都是這么個寬度。

其實，Canvas 的設置項還有許多，例如我們可以直接移動畫布、旋轉畫布、設置全局的繪制透明度等等。這些設置還可以隨時保存和恢復。

要注意的一點是，所有已經畫在畫布上的東西，是已經定死了的，不管之后再次進行任何設置都不會再改變。這個很像 Windows 下的畫圖程序。

廢話不多說，直接上代碼：

// 移動畫布，其實就是移動坐標系
ctx.translate(往右移動的量, 往下移動的量);
// 旋轉畫布，旋轉中心為坐標系原點
ctx.rotate(順時針旋轉的角度);
// 以坐標系原點為中心縮放畫布
ctx.scale(橫向放大倍數, 縱向放大倍數);
// 設置繪制透明度，如果 fillStyle 等屬性設置了透明度則會疊加
ctx.globalAlpha(零到一的小數);
// 設置全局組合操作
ctx.globalCompositeOperation = 'lighter';
// 保存當前設置
ctx.save();
// 恢復上次保存的設置
ctx.restore();

移動、旋轉、縮放其實就是在控制繪圖的坐標系，如果你在調用這三個方法的時候，腦子里時刻有一個帶刻度的坐標系，效果會非常好。

事實上，Canvas 的坐標變換遵循計算機圖形學的知識：變換矩陣。簡單來說，一個坐標可以看成是一個矩陣，坐標所對應的矩陣乘上變換矩陣就可以實現對坐標的變換。為了提升計算的效率，可以先計算出幾種變換復合之后的變換矩陣，然后直接通過 transform 函數對當前坐標系進行變換，或者通過 setTransform 函數將坐標系重置為初始狀態后再進行變換。至于變換矩陣的內容，對于本文來說就有些超綱了。

全局組合操作有點像 PhotoShop 里面的“混合選項”，具體的實現方式還沒有完全確定，目前常見瀏覽器都統一了的實現方式有： source-over 、 source-atop 、 destination-over 、 destination-out 、 lighter 、 xor 。具體的行為可以看 Mozilla 官方文檔 ，但是由于標準還未完全確定，因此其它瀏覽器不保證所有的行為都跟 Mozilla 的標準一致。一般來說，比較常見的是 source-over 和 lighter 兩種，這兩種的標準在瀏覽器界也算是無可爭議的。

至于保存和恢復設置就有點好玩了，首先需要了解一個叫“棧”的東西。

棧是一個一維數組，規定只能從一個方向操作。棧一開始是空的，我們可以從這個方向往數組 push 元素，也只能從這個方向把最后一個元素（棧頂元素）pop 出來，除此以外沒有任何多余的操作。當然，pop 的次數不能多于 push 的次數，因為 pop 到棧底的時候棧里就已經沒有元素了，此時再 pop 是沒有意義的。棧的用處有很多，例如括號匹配、表達式求值、深度優先搜索，甚至絕大部分語言的函數調用都要用到棧。

每次我們調用 save 函數，實際上是將當前的全局設置 push 到了一個專門棧上，每次調用 restore 函數的時候將最后一次保存的內容 pop 出來并用它覆蓋當前的全局設置，這樣棧頂就是最近一次保存的內容了。保存和恢復在某些情況下很好用，例如我需要畫一個歪著的圖形，然后繼續畫正著的圖形，這樣就可以先調用 save ，然后調用 rotate ，畫完圖形之后再 restore 回來，繼續畫其它的圖形。

其實 Canvas 還有許多方法，例如 toDataURL 直接將當前畫布上的內容轉換為十六進制的 data-url ， getImageData 直接將圖像轉換為 RGBA 數組以供圖像處理算法使用， putImageData 將 RGBA 數組轉換為圖片顯示在畫布上等等。如果配上 JavaScript 的定時更新（最好用 requestAnimationFrame 而不是 setInterval ），則可以產生動畫效果。網上還有許多 Canvas 的庫，可以讓程序員更簡便地基于 Canvas 編寫屬于自己的特效或功能。在這兒我想說一句話：大家的腦洞有多大，Canvas 的能力就有多強~

 

來自：https://blog.coding.net/blog/what-is-canvas