canvas进阶之如何画出平滑的曲线

2024-08-26 00:21:04

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供稿：网友

背景概要

相信大家平时在学习canvas 或项目开发中使用canvas的时候应该都遇到过这样的需求：实现一个可以书写的画板小工具。

嗯，相信这对canvas使用较熟的童鞋来说仅仅只是几十行代码就可以搞掂的事情，以下demo就是一个再也简单不过的例子了：

<!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');        // 设置线条颜色        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>

它的实现逻辑也很简单：

我们在canvas画布上主要监听了三个事件：mousedown、mouseup和mousemove，同时我们也创建了一个isDown变量；
当用户按下鼠标（mousedown，即起笔）时将isDown置为true，而放下鼠标（mouseup）的时候将它置为false，这样做的好处就是可以判断用户当前是否处于绘画状态；
通过mousemove事件不断采集鼠标经过的坐标点，当且仅当isDown为true（即处于书写状态）时将当前的点通过canvas的lineTo方法与前面的点进行连接、绘制；

通过以上几个步骤我们就可以实现基本的画板功能了，然而事情并没那么简单，仔细的童鞋也许会发现一个很严重的问题——通过这种方式画出来的线条存在锯齿，不够平滑，而且你画得越快，折线感越强。表现如下图所示：

canvas,曲线

为什么会这样呢？

问题分析

出现该现象的原因主要是：

我们是以canvas的lineTo方法连接点的，连接相邻两点的是条直线，非曲线，因此通过这种方式绘制出来的是条折线；

canvas,曲线

受限于浏览器对mousemove事件的采集频率，大家都知道在mousemove时，浏览器是每隔一小段时间去采集当前鼠标的坐标的，因此鼠标移动的越快，采集的两个临近点的距离就越远，故“折线感越明显“；

如何才能画出平滑的曲线?

要画出平滑的曲线，其实也是有方法的，lineTo靠不住那我们可以采用canvas的另一个绘图API——quadraticCurveTo ，它用于绘制二次贝塞尔曲线。

二次贝塞尔曲线

quadraticCurveTo(cp1x, cp1y, x, y)

调用quadraticCurveTo方法需要四个参数，cp1x、cp1y描述的是控制点，而x、y则是曲线的终点：

canvas,曲线

更多详细的信息可移步MDN

既然要使用贝塞尔曲线，很显然我们的数据是不够用的，要完整描述一个二次贝塞尔曲线，我们需要：起始点、控制点和终点，这些数据怎么来呢？

有一个很巧妙的算法可以帮助我们获取这些信息

获取二次贝塞尔关键点的算法

这个算法并不难理解，这里我直接举例子吧：

假设我们在一次绘画中共采集到6个鼠标坐标，分别是A, B, C, D, E, F；取前面的A, B, C三点，计算出B和C的中点B1，以A为起点，B为控制点，B1为终点，利用quadraticCurveTo绘制一条二次贝塞尔曲线线段；

canvas,曲线

接下来，计算得出C与D点的中点C1，以B1为起点、C为控制点、C1为终点继续绘制曲线；

canvas,曲线

依次类推不断绘制下去，当到最后一个点F时，则以D和E的中点D1为起点，以E为控制点，F为终点结束贝塞尔曲线。

canvas,曲线

OK，算法就是这样，那我们基于该算法再对现有代码进行一次升级改造：

let isDown = false;let points = [];let beginPoint = null;const canvas = document.querySelector('#canvas');const ctx = canvas.getContext('2d');// 设置线条颜色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();}

在原有的基础上，我们创建了一个变量points用于保存之前mousemove事件中鼠标经过的点，根据该算法可知要绘制二次贝塞尔曲线起码需要3个点以上，因此我们只有在points中的点数大于3时才开始绘制。接下来的处理就跟该算法一毛一样了，这里不再赘述。

代码更新后我们的曲线也变得平滑了许多，如下图所示：

canvas,曲线