浏览器包含一些非常强大的图形编程工具,从可缩放矢量图形(Scalable Vector Graphics,简称 SVG)语言到用于在 HTML <canvas> 元素上绘制图形的API(参阅 Canvas API 和 WebGL)。本文对 <canvas> 进行介绍,并提供更多的学习资源。

预备知识: JavaScript基础(见 JavaScript 第一步创建 JavaScript 代码块JavaScript 对象入门),Web API 基础知识
目标: 学习 JavaScript 在 <canvas> 元素中绘图的基础知识。

网络图形

我们来讨论 HTML 的 多媒体和嵌入式 模块,早先的网页只有单调的文字,后来才引入了图像,起初是通过 <img> 元素的方式,后来出现了类似于 background-image 的 CSS 属性和 SVG 图像等方式。

然而,这还不够好。当你能够使用 CSS 和 JavaScript 让 SVG 矢量图动起来时,位图却依然没有相应的支持。同时 SVG 动画的可用工具也少得可怜。有效地生成动画、游戏画面、3D场景和其他的需求依然没有满足,而这些在诸如 C++ 或者 Java 等低级语言中却司空见惯。

当浏览器开始支持 HTML 画布元素 <canvas> 和相关的 Canvas API(由苹果公司在 2004 年前后发明,后来其他的浏览器开始跟进)时,形势开始改善。下面你会看到,canvas 提供了许多有用的工具,特别是当捆绑了由网络平台提供的一些其他的 API 时。它们用来生成 2D 动画、游戏画面和数据分析图,以及其他类型的 app。

下面的例子显示的是一个基于 canvas 的简单的 2D 弹跳球动画,前面我们在 JavaScript 对象入门 的章节中见到过。

大约在 2006 - 2007 年,Mozilla 开始测试 3D 画布。后来演化为 WebGL,它获得了各大浏览器厂商的认可,于是大约在 2009 - 2010 年间得到了标准化。WebGL 可以让你在 web 浏览器中生成真正的 3D 图形。下面的例子显示了一个简单的旋转的 WebGL 立方体。

由于原生的 WebGL 代码非常复杂,本文主要针对 2D 画布。然而,你也可以通过 WebGL介绍页面 找到 WebGL 原生代码的教程,来学习如何更容易地使用 WebGL 库来创建一个 3D 场景。

注:画布的基本功能有良好的跨浏览器支持。但存在例外:IE 8 及以下不支持 2D 画布,IE 11 及以下不支持WebGL。

主动学习:开始使用 <canvas>

要在网页中创建 2D 或者 3D 场景,必须在 HTML 文件中插入一个 <canvas> 元素,以界定网页中的绘图区域。这很简单,如下所示:

<canvas width="320" height="240"></canvas>

网页中会生成一块 320 × 240 像素的画布。

在 canvas 标签内,你可以放置一些反馈信息,如果用户的浏览器不支持画布功能,这些内容就会显示出来。

<canvas width="320" height="240">
  <p>卧槽你的浏览器竟然不支持 canvas!</p>
</canvas>

当然这条信息实在是没什么用!在实际情况中最好提供与画布内容相关的反馈信息。比如,如果无法渲染实时更新的股价曲线图,就应提供一幅静态的、最近的股价曲线图,并用 alt 显示出价格信息。

创建画布并确定尺寸

让我们开始吧:创建画布,准备尝试绘制图形。

  1. 首先下载 0_canvas_start.html 文件, 用文本编辑器打开。

  2. <body> 标签下面填加以下代码。

    <canvas class="myCanvas">
      <p>添加恰当的反馈信息。</p>
    </canvas>

    我们为 <canvas> 元素添加了一个 class,使得在网页中选择多个画布时会容易些。这里我们移除了 width 和 height 属性 (你可以随时添上。但是我们会在下方用 JavaScript 把它们添加回来)。不明确指定宽高时,画布默认尺寸为 300 × 150 像素。

  3. 现在,请在 <script> 元素内添加以下 JavaScript 代码:

    var canvas = document.querySelector('.myCanvas');
    var width = canvas.width = window.innerWidth;
    var height = canvas.height = window.innerHeight;

    这里我们用 canvas 变量来存储画布的引用。第二行中我们将  Window.innerWidth(可视区域宽度)赋值给一个新变量 width 和画布的 canvas.width 变量,(第三行同理)。然后我们就得到了一个充满窗口的画布。

    你还可以看到我们使用了多个等号为多个变量进行连续复制,这在 JavaScript 中是允许的,很适合为多个变量同时赋一个相同的值。后文中你会发现,使用 widthheight 变量可以更快捷地访问画布的长宽(比如在画布正中央绘制一条垂直线)。 

  4. 如果现在保存文件,浏览器中什么也不会显示,这并没有问题,但是滚动条还是可见的,这就是问题了。原因是我们的“全窗尺寸画布”包含 <body> 元素的外边距(margin),使得文档比窗口略宽。 为使滚动条消失,需要删除 <body> 元素的 margin 并将 overflow 设置为 hidden。在文档的 <head> 中添加以下代码即可:

    <style>
      body {
        margin: 0;
        overflow: hidden;
      }
    </style>

    此时滚动条就消失了。

注:如上文所讲,一般情况下图片的尺寸可以通过 HTML 属性或 DOM 属性来设定。你也可以使用 CSS,但问题是画布在渲染完毕后其尺寸就是固定的了,如果试图调整,就会与其他图象一样(其实渲染好的画布就是一副图片),所显示的内容将变得像素化或扭曲变形。

获取画布上下文(canvas context)并完成设置

画布模板设置还有最后一步。我们需要获得一个对绘画区域的特殊的引用(称为“上下文”)用来在画布上绘图。可通过 HTMLCanvasElement.getContext() 方法获得基础的绘画功能,需要提供一个字符串参数来表示所需上下文的类型。

这里我们需要一个 2d 画布,在 <script> 元素内添加以下 JS 代码即可:

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

注:可选上下文还包括 WebGL(webgl)、WebGL 2(webgl2)等等,但本文暂不涉及。

好啦,现已万事具备!ctx 变量包含一个 CanvasRenderingContext2D 对象,画布上所有绘画操作都会涉及到这个对象。

开始前我们先初尝一下 canvas API。在 JS 代码中添加以下两行,将画布背景涂成黑色:

ctx.fillStyle = 'rgb(0, 0, 0)';
ctx.fillRect(0, 0, width, height);

这里我们使用画布的 fillStyle 属性(和CSS属性 色值 一致)设置填充色,然后使用 fillRect 方法绘制一个覆盖整个区域的矩形(前两个参数是矩形左上顶点的坐标,后两个参数是矩形的长宽,现在你知道 width 和 height 的作用了吧)。

好的,模板已经就位,我们要开始了。

2D 画布基础

如上文所讲,所有绘画操作都离不开 CanvasRenderingContext2D 对象(这里叫做 ctx)。许多操作都需要提供坐标来指示绘图的确切位置。画布左上角的坐标是(0, 0),横坐标(x)轴向右延伸,纵坐标(y)轴向下延伸。

绘图操作可基于原始矩形模型实现,也可通过追踪一个特定路径后填充颜色实现。下面分别讲解。

简单矩形

让我们从简单矩形开始。

  1. 首先,复制一份刚才创建的画布模板 (如果你没有严格按上述步骤进行,请下载 1_canvas_template.html)。

  2. 然后在 JS 代码末尾添加下面两行:

    ctx.fillStyle = 'rgb(255, 0, 0)';
    ctx.fillRect(50, 50, 100, 150);

    保存并刷新,画布上将出现一个红色的矩形。其左边和顶边与画布边缘距离均为 50 像素(由前两个参数指定),宽 100 像素、高 150 像素(由后两个参数指定)。

  3. 然后再添加一个绿色矩形。在 JS 代码末尾添加下面两行:

    ctx.fillStyle = 'rgb(0, 255, 0)';
    ctx.fillRect(75, 75, 100, 100);

    保存并刷新,新的矩形就会出现。这里引出了一个新问题:绘制矩形、线等操作按出现的顺序依次进行。就像粉刷墙面时,两层重叠时新层总会覆盖旧层。这一点是无法改变的,因此在绘制图形时一定要慎重考虑顺序问题。

  4. 你还可以通过指定半透明的颜色来绘制半透明的图形,比如使用 rgba()。 a 指定了“α 通道”的值,也就是颜色的透明度。值越高透明度越高,底层的内容就越清晰。在代码中添加以下两行:

    ctx.fillStyle = 'rgba(255, 0, 255, 0.75)';
    ctx.fillRect(25, 100, 175, 50);
  5. 现在你可以自己尝试绘制一些矩形了,玩得开心!

描边(stroke)和线条宽度

目前我们绘制的矩形都是填充颜色的,我们也可以绘制仅包含外部框线(图形设计中称为描边)的矩形。你可以使用 strokeStyle 属性来设置描边颜色,使用  strokeRect 来绘制一个矩形的轮廓。

  1. 在上文的 JS 代码的末尾添加以下代码:

    ctx.strokeStyle = 'rgb(255, 255, 255)';
    ctx.strokeRect(25, 25, 175, 200);
  2. 默认的描边宽度是 1 像素,可以通过调整 lineWidth 属性(接受一个表示描边宽度像素值的数字)的值来修改。在上文两行后添加以下代码:

    ctx.lineWidth = 5;

现在可以看到白色的外边框变得更粗了。就这么简单,示例看上去像这样:

: 完整代码请访问 GitHub: 2_canvas_rectangles.html

绘制路径

可以通过绘制路径来绘制比矩形更复杂的图形。路径中至少要包含钢笔运行精确路径的代码以确定图形的形状。画布提供了许多函数用来绘制直线、圆、贝塞尔曲线,等等。

重新复制一份(1_canvas_template.html),然后在其中绘制新的示例。

一些通用的方法和属性将贯穿以下全部内容:

  • beginPath():在钢笔当前所在位置开始绘制一条路径。在新的画布中,钢笔起始位置为 (0, 0)。
  • moveTo():将钢笔移动至另一个坐标点,不记录、不留痕迹,只将钢笔“跳”至新位置。
  • fill():通过为当前所绘制路径的区域填充颜色来绘制一个新的填充形状。
  • stroke():通过为当前绘制路径的区域描边,来绘制一个只有边框的形状。
  • 路径也可和矩形一样使用 lineWidth 和 fillStyle / strokeStyle 等功能。

以下是一个典型的简单路径绘制选项:

ctx.fillStyle = 'rgb(255, 0, 0)';
ctx.beginPath();
ctx.moveTo(50, 50);
// 绘制路径
ctx.fill();

画线

我们来在画布上绘制一个等边三角形。

  1. 首先,在代码底部添加下面的辅助函数。它可以将角度换算为弧度,在为 JavaScript 提供角度值时非常实用,JS 基本上只接受弧度值,而人类更习惯用角度值。

    function degToRad(degrees) {
      return degrees * Math.PI / 180;
    };
  2. 然后,在刚才复制好的文件中添加下面的内容,以开始路径的绘制。此处为我们为三角形设置了颜色,准备绘制,然后将钢笔移动至 (50, 50)(没有绘制任何内容)。然后准备在新的坐标开始绘制三角形。

    ctx.fillStyle = 'rgb(255, 0, 0)';
    ctx.beginPath();
    ctx.moveTo(50, 50);
  3. 接下来在脚本中添加以下代码:

    ctx.lineTo(150, 50);
    var triHeight = 50 * Math.tan(degToRad(60));
    ctx.lineTo(100, 50+triHeight);
    ctx.lineTo(50, 50);
    ctx.fill();

    我们来逐行解释:

    首先绘制一条直线,终点坐标为 (150, 50)。此时路径沿 x 轴向右行走 100 像素。

    然后利用三角函数来计算等边三角形的高。这里我们要绘制的三角形是朝下的。等边三角形每个角均为 60°,为计算高的值,我们可以将三角形从正中心分割为两个直角三角形,每个直角三角形的三个角分别为 90°、60°、30°。对于边:

    • 最长的边称为 斜边
    • 紧挨 60° 角的边称为 临边,显然地,它的长度是刚才绘制的线的一半,即 50 像素。
    • 60° 角对面的边称为 对边,即三角形的高,需要计算得到。

    通过基本三角函数可得:临边长度乘以角的正切等于对边长度。于是可得三角形的高为 50 * Math.tan(degToRad(60))。由于 Math.tan() 接受数值的单位为弧度,于是我们用刚才的 degToRad() 函数将 60° 换算为弧度。

  4. 有了三角形的高,我们来绘制另一条线,终点坐标为 (100, 50+triHeight)。X 坐标值很简单,应在刚才绘制的水平线两顶点正中间位置。Y 值应为 50 加上三角形的高,因为高即三角形底边到顶点的距离。

  5. 下一条线的终点坐标为绘制整个三角形的起点坐标。

  6. 最后,运行 ctx.fill() 来终止路径,并为图形填充颜色。

画圆

下面来看可在画布中绘制圆的方法—— arc() ,通过连续的点来绘制整个圆或者弧(arc,即局部的圆)。

  1. 在代码中添加以下几行,以向画布中添加一条弧。

    ctx.fillStyle = 'rgb(0, 0, 255)';
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(150, 106, 50, degToRad(0), degToRad(360), false);
    ctx.fill();

    arc() 函数有六个参数。前两个指定圆心的位置坐标,第三个是圆的半径,第四、五个是绘制弧的起、止角度(给定 0° 和 360° 便能绘制一个完整的圆),第六个是绘制方向(false 是顺时针,true 是逆时针)。

    注:0° 设定为水平向右。

  2. 我们再来画一条弧:

    ctx.fillStyle = 'yellow';
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(200, 106, 50, degToRad(-45), degToRad(45), true);
    ctx.lineTo(200, 106);
    ctx.fill();

    模式基本一样,但有两点不同:

    • 将 arc() 的最后一个参数设置为 true,意味着弧将逆时针绘制,也就意味着即使起、止角度分别设置为 -45°、45°,我们还是得到了区域外的一条 270° 的弧。如果把 true 改为false 重新运行,将得到 90° 的弧。
    • 在调用 fill() 前,我们绘制了一条终点为圆心的直线。然后我们就渲染出一个惟妙惟肖的吃豆人模型。如果删除这条线(试试呗)再重新运行代码,你只能得到一个起止点间被砍掉一块的圆。这向我们展示了画布的另一个重要事项:如果要填充一个未完成(也就是没有首尾相接)的路径,浏览器将在起、止点件绘制一条直线,然后直接填充。

示例现在应该跟下图一致:

注:完整代码可到 GitHub 下载:3_canvas_paths.html

注:请访问我们的 用画布绘图 入门课程来学习更多高级的路径绘制功能,比如贝叶斯曲线。

文本

画布可用于绘制文本。我们简要学习一下。首先再次下载一份新的画布模板(1_canvas_template.htm),我们用它来绘制新的示例。

以下两个函数用于绘制文本:

这两个函数有三个基本的参数:需要绘制的文字、文本框(顾名思义,围绕着需要绘制文字的方框)左上顶点的X、Y坐标。

还有一系列帮助控制文本渲染的属性:比如用于指定字体族、字号的 font,它的值和语法与 CSS 的 font 属性一致。

在 JS 代码底部添加以下内容:

ctx.strokeStyle = 'white';
ctx.lineWidth = 1;
ctx.font = '36px arial';
ctx.strokeText('Canvas text', 50, 50);

ctx.fillStyle = 'red';
ctx.font = '48px georgia';
ctx.fillText('Canvas text', 50, 150);

将绘制两行文字,一行描边文字一行填充颜色的文字。示例最终如下所示:

注:完整代码可到 GitHub 下载:4_canvas_text.html.

可以自己尝试一下。访问 绘制文本 获得关于画布文本选项的更多信息。

在画布上绘制图片

可在画布上渲染外部图片,简单图片文件、视频帧、其他画布内容都可以。这里我们只考虑简单图片文件的情况:

  1. 同上,下载画布模板(1_canvas_template.html)以绘制新的示例。这里还需要在同一目录下保存一个示例图片文件:firefox.png

    drawImage() 方法可将图片绘制在画布上。 最简单的版本需要三个参数:需要渲染的图片、图片左上角的X、Y坐标。

  2. 将图片源嵌入画布中,代码如下:

    var image = new Image();
    image.src = 'firefox.png';

    这里使用 Image() 构造器创建了一个新的 HTMLImageElement 对象。返回对象的类型与非空 <img> 元素的引用是一致的。然后将它的 src 属性设置为 Firefox 的图标。此时浏览器将开始载入这张图片。

  3. 这次我们尝试用 drawImage() 函数来嵌入图片,应确保图片先载入完毕,否则运行会出错。可以通过 onload 事件处理器来达成,该函数只在图片调用完毕后才会调用。在上文代码末尾添加以下内容:

    image.onload = function() {
      ctx.drawImage(image, 50, 50);
    }

    保存刷新,可以看到图片成功嵌入画布中。

  4. 还有更多方式。如果仅需要显示图片的某一部分,或者需要改变尺寸,该怎么做呢?复杂版本的 drawImage() 可解决这两个问题。请更新 ctx.drawImage() 一行代码为:

    ctx.drawImage(image, 20, 20, 185, 175, 50, 50, 185, 175);
    • 第一个参数不变,为图片引用。
    • 参数 2、3 表示裁切部分左上顶点的坐标,参考原点为原图片本身左上角的坐标。原图片在该坐标左、上的部分均不会绘制出来。
    • 参数 4、5 表示裁切部分的长、宽。
    • 参数 6、7 表示裁切部分左上顶点在画布中的位置坐标,参考原点为画布左上顶点。
    • 参数 8、9 表示裁切部分在画布中绘制的长、宽。本例中绘制时与裁切时面积相同,你也可以定制绘制的尺寸。

最终结果如下所示:

注:完整代码可到 GitHub 下载:5_canvas_images.html.

循环和动画

目前我们学习了关于 2D 画布一些非常基础的用法,但是不学习动画你就无法体会画布的强大。画布是提供可编程图形的。如果你的作品不需要改变,那么你就只能永远面对那些静态图片了。

创建一个循环

在画布中使用循环是件有趣的事,你可以在 for 循环中运行画布命令,和其他 JS 代码一样。

我们来创建一个简单的示例。

  1. 继续复制一份画布模板(1_canvas_template.html)在代码编辑器中打开。

  2. 在 JS 代码末尾添加以下一行。这将创建一个新方法——translate(),可用于移动画布的原点。

    ctx.translate(width/2, height/2);

    这会使原点 (0, 0) 从画布左上顶点移动至画布正中心。这个功能在许多场合非常实用,就像本示例,我们的绘制操作都是围绕着画布的中心点展开的。

  3. 在 JS 代码末尾添加以下内容:

    function degToRad(degrees) {
      return degrees * Math.PI / 180;
    };
    
    function rand(min, max) {
      return Math.floor(Math.random() * (max-min+1)) + (min);
    }
    
    var length = 250;
    var moveOffset = 20;
    
    for(var i = 0; i < length; i++) {
    
    }

    这里我们实现了一个与上文三角形示例中相同的 degToRad() 函数、一个返回给定范围内随机数 rand() 函数、length 和 moveOffset 变量(见下文),以及一个空的 for 循环。

  4. 此处的理念是利用 for 循环在画布上循环迭代绘制好玩儿的内容。请将以下代码添加进 for 循环中:

    ctx.fillStyle = 'rgba(' + (255-length) + ', 0, ' + (255-length) + ', 0.9)';
    ctx.beginPath();
    ctx.moveTo(moveOffset, moveOffset);
    ctx.lineTo(moveOffset+length, moveOffset);
    var triHeight = length/2 * Math.tan(degToRad(60));
    ctx.lineTo(moveOffset+(length/2), moveOffset+triHeight);
    ctx.lineTo(moveOffset, moveOffset);
    ctx.fill();
    
    length--;
    moveOffset += 0.7;
    ctx.rotate(degToRad(5));

    在每次迭代中:

    • 设置 fillStyle 为略透明的紫色渐变色。渐变由每次迭代时 length 值的改变实现。随着循环的运行, length 值逐渐变小,从而使连续的三角形颜色逐渐变亮。
    • 开始路径。
    • 将钢笔移动至坐标 (moveOffset, moveOffset);该变量定义了每次要绘制新三角形时需要移动的距离。
    • 画一条直线,终点坐标为 (moveOffset+length, moveOffset)。即一条长度为 length 与 X 轴平行的线。
    • 计算三角形的高,方法同上。
    • 向三角形底部顶点方向绘制一条直线,然后向三角形的起始点绘制一条直线。
    • 调用 fill() 为三角形填充颜色。
    • 更新次序变量,准备绘制下一个三角形。length 的值减一,使三角形每次迭代都变小一些;小幅增加 moveOffset 的值,使得下一个三角形略微错位;用一个新函数 rotate() 来旋转整块画布,在绘制下个三角形前画布旋转 5°。

好了,最终结果如下:

现在,你可以尝试这个示例,可以加一些创新哦。比如:

  • 把三角形换成矩形、弧,甚至内嵌的图片。
  • 修改 length 和 moveOffset 的值。
  • 我们引入了 rand() 函数但是没有使用,你可以试着用它引入一些随机数。

注:完整代码可到 GitHub 下载:6_canvas_for_loop.html.

动画

上文的循环示例很有趣,其实在重度画布应用(比如游戏或实时可视化)中恒定循环是至关重要的支持组件。如果期望画布显示的内容像一部电影,屏幕最好能够以 60 帧每秒的刷新率实时更新,这样人眼看到的动作才更真实、更平滑。

一些 JavaScript 函数可以让函数在一秒内重复运行多次,这里最适合的就是 window.requestAnimationFrame()。它只取一个参数,即每帧要运行的函数名。下一次浏览器准备好更新屏幕时,将会调用你的函数。如果你的函数向动画中绘制了更新内容,则在函数结束前再次调用 requestAnimationFrame(),动画循环得以保留。只有在停止调用 requestAnimationFrame() 时,或 requestAnimationFrame() 调用后、帧调用前调用了 window.cancelAnimationFrame() 时,循环才会停止。

注:动画结束后在主代码中调用 cancelAnimationFrame() 是良好习惯,可以确保不再有等待运行的更新。

浏览器自行处理诸如“使动画匀速运行”、“避免在不可见的内容浪费资源”等复杂细节问题。

我们简单回顾一下“弹球”示例(在线运行 或查看 源代码),来探究一下原理。以下是让弹球持续运行的循环代码:

function loop() {
  ctx.fillStyle = 'rgba(0, 0, 0, 0.25)';
  ctx.fillRect(0, 0, width, height);

  while(balls.length < 25) {
    var ball = new Ball();
    balls.push(ball);
  }

  for(i = 0; i < balls.length; i++) {
    balls[i].draw();
    balls[i].update();
    balls[i].collisionDetect();
  }

  requestAnimationFrame(loop);
}

loop();

我们在代码底部运行了一次 loop() 函数,它启动了整个循环,绘制了第一帧动画。接着 loop() 函数接管了requestAnimationFrame(loop) 的调用工作,即运行下一帧、再下一帧……的动画。

请注意每一帧我们都整体清除画布并重新渲染所有内容。(每帧创建一个新球(25 个封顶),然后绘制每个球,更新它们的位置,检查是否撞到了其它球。)向画布中绘制的新图形不能像DOM 元素那样单独操作。你无法再画布中单独操作某一个球,因为只要绘制完毕了,它就是画布的一部分,而不是一个单独的球。你需要擦除再重画,可以将整帧擦除再重画整个画面,也可通过编程选择最小的部分进行擦除和重画。

优化图形动画是另一个编程主题,需要好多奇技淫巧。这超出我们的讨论范围啦。

一般地,在画布上制作动画需要以下步骤:

  1. 清除画布内容(可用 fillRect()clearRect())。
  2. (在需要时)用 save() 保存状态。(在进行下一步前保存所更新的设置,一般在复杂环境中用到)
  3. 绘制动画图形。
  4. 使用 restore() 恢复第 2 步中保存的状态。
  5. 调用 requestAnimationFrame() 准备下一帧动画。

注:save() 和 restore() 这里暂不展开,可以访问 变形 教程(及后续内容)来获取详细信息。

一个简单的人物动画

现在我们来创建一个简单的动画,我们找来一个复古的电脑游戏的主角制作一个在屏幕上行走的动画。

  1. 继续复制一份画布模板(1_canvas_template.html)在代码编辑器中打开。下载 walk-right.png 并放在同一文件夹。

  2. 在 JS 代码末尾添加下面一行,再次将画布的原点设置为中心点。

    ctx.translate(width/2, height/2);
  3. 创建一个新的 HTMLImageElement 对象,把它的 src 设置为所需图片,添加一个 onload 事件处理器,使 draw() 函数在图片载入后触发。

    var image = new Image();
    image.src = 'walk-right.png';
    image.onload = draw;
  4. 添加一些变量,来追踪精灵图在屏幕上的位置,以及当前需要显示的精灵图的序号。

    var sprite = 0;
    var posX = 0;

    我们来解释一下“精灵图序列”(我们借鉴了麦克托马斯的 使用 CSS 动画创建人物行走的精灵图)。图片如下:

    图中包含六个精灵,它们组成了一趟完整的行走序列。每个精灵的尺寸为 102 × 148 像素。为了整齐的显示一个精灵,可以通过 drawImage() 来从序列中裁切出单独的精灵并隐藏其他部分,就像上文中操作 Firefox 图标的方法。切片的 X 坐标应为 102 的倍数,Y 坐标恒为 0。切片尺寸恒为 102 × 148 像素。

  5. 在代码末尾添加一个空的 draw() 函数,用来添加一些代码:

    function draw() {
    
    };
  6. 本节剩余部分都在这个 draw() 中展开。首先,添加以下代码,清除画布,准备绘制新的帧。注意由于我们刚才将原点设置为 width/2, height/2,这里需要将矩形左上顶点的坐标设置为 -(width/2), -(height/2)

    ctx.fillRect(-(width/2), -(height/2), width, height);
  7. 下一步,我们使用 drawImage()(9参数版本)来绘制图形,添加以下代码:

    ctx.drawImage(image, (sprite*102), 0, 102, 148, 0+posX, -74, 102, 148);

    如你所见:

    • image 指定需要嵌入的图片。
    • 参数 2、3 指定切片左上顶点在原图的位置坐标,X 值为 sprite(精灵序列 0 - 5)乘 102,Y 值恒为 0。
    • 参数 4、5 指定切片尺寸:102 × 148 像素。
    • 参数 6、7 指定切片在画布绘制区域的坐上顶点坐标。X 坐标位置为 0 + posX,意味着我们可以通过修改 posX 的值来修改绘制的位置。
    • 参数 8、9 指定图片在画布中的尺寸。这里需要图片保持原始尺寸,因此我们指定宽、高值为 102、148。
  8. 现在,我们在每帧绘制完毕(部分完毕)后修改 sprite 的值。在 draw() 函数底部添加以下内容:

      if (posX % 13 === 0) {
        if (sprite === 5) {
          sprite = 0;
        } else {
          sprite++;
        }
      }

    将整个功能块放置在 if (posX % 13 === 0) { ... } 内。用“模(%)运算符”(即 求余运算符)来检测 posX 是否可以被 13 整除。如果整除,则通过增加 sprite 的值转至下一个精灵(到 5 号精灵时归零)。这实际上意味着每隔 13 帧才更新一次精灵,每秒大约更新 5 帧(requestAnimationFrame() 每秒最多调用 60 帧)。我们故意放慢了帧率,因为精灵图只有六个,且如果每秒显示 60 帧的话,这个角色就会快到起飞。

    外部程序块中用一个 if ... else 语句来检测 sprite 的值是否为 5(精灵序号在 0 - 5 间循环,因此 5 代表最后一个精灵)。 如果最后一个精灵已经显示,就把 sprite 重置为 0,否则加 1。

  9. 下一步要算出每帧 posX 的值,在上文代码末尾添加以下内容:

      if(posX > width/2) {
        newStartPos = -((width/2) + 102);
        posX = Math.ceil(newStartPos / 13) * 13;
        console.log(posX);
      } else {
        posX += 2;
      }

    用另一个 if ... else 来检测 posX 的值是否超出了 width/2,那意味着角色走到了屏幕右侧边缘。如果这样就计算出一个让角色出现在屏幕左侧边缘的 X 坐标,然后将 posX 设置为最接近这个数的 13 的倍数。这里必须限定 13 的倍数这个条件,这是因为 posX 不可能是 13 的倍数,若不限定的话上一段代码就不会运行了。

    如果角色没有走到屏幕边缘,只需为 posX 加 2。这将让他在下次绘制时更靠右些。

  10. 最后,通过在 draw() 函数末尾添加 requestAnimationFrame() 调用以实现动画的循环。

    window.requestAnimationFrame(draw);

成功了!最终效果如下所示:

注:完整代码可到 GitHub 下载:7_canvas_walking_animation.html.

简单的绘图应用

下面来演示一个简单的绘图应用,作为最后一个绘画示例,它将向你展示动画循环如果与用户输入(本例中为鼠标移动)结合起来。我们不会带你一步一步来实现本示例,只对代码中最有趣的部分进行探究。

示例代码可到GitHub下载:8_canvas_drawing_app.html,也可在线试玩:

下面我们就来看看代码的精华部分。首先,用 curXcurY 和 pressed 这三个变量来跟踪鼠标的 X、Y 坐标和点击状态。当鼠标移动时,触发一个函数作为 onmousemove 事件处理器,其应捕获当前的 X 和 Y 值。再用 onmousedown 和 onmouseup 事件处理器来修改鼠标键按下时 pressed 的值(按下为 true,释放为  false)。

var curX;
var curY;
var pressed = false;

document.onmousemove = function(e) {
  curX = (window.Event) ? e.pageX : e.clientX + (document.documentElement.scrollLeft ? document.documentElement.scrollLeft : document.body.scrollLeft);
  curY = (window.Event) ? e.pageY : e.clientY + (document.documentElement.scrollTop ? document.documentElement.scrollTop : document.body.scrollTop);
}

canvas.onmousedown = function() {
  pressed = true;
};

canvas.onmouseup = function() {
  pressed = false;
}

在按下“Clear canvas”(清除画布)按钮时,我们运行一个简单的函数来清除整个画布的内容至纯黑色,和刚才的方法一致:

clearBtn.onclick = function() {
  ctx.fillStyle = 'rgb(0, 0, 0)';
  ctx.fillRect(0, 0, width, height);
}

这次的绘图循环非常简单,如果 pressed 为 true,则绘制一个圆,该圆以颜色选择器中设定的颜色为背景,以滑动选择器设定的数值为半径。

function draw() {
  if(pressed) {
    ctx.fillStyle = colorPicker.value;
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(curX, curY-85, sizePicker.value, degToRad(0), degToRad(360), false);
    ctx.fill();
  }

  requestAnimationFrame(draw);
}

draw();

注:range 和 color 两个 <input> 的类型有良好的跨浏览器支持,但 Safari 暂不支持 color,IE 10 以下版本两者均不支持。如果你的浏览器不支持这些输入类型,它们将降格为简单文字输入区域,可以直接输入合法的数字来表示半径和颜色的值。

WebGL

2D 内容告一段落,现在简单了解一下 3D 画布。3D 画布内容可通过的 WebGL API 实现,尽管它和 2D canvas API 都可在 <canvas> 元素上进行渲染,但两者是彼此独立的。

WebGL 基于 OpenGL 图形编程语言实现,可直接与 GPU 通信,基于此,编写纯 WebGL 代码与常规的 JavaScript 不尽相同,更像 C++ 那样的底层语言,更加复杂,但无比强大。

使用库

由于 3D 绘图的复杂性,大多数人写代码时会使用第三方 JavaScript 库(比如 Three.jsPlayCanvas 或 Babylon.js)。大多数库的原理都基本类似,提供创建基本的、自定义性状的功能、视图定位摄影和光效、表面纹理覆盖,等等。库负责 与 WebGL 通信,你只需完成更高阶工作。

接触任何一个库都意味着要学一套全新的API(这里是第三方的版本),但与纯 WebGL 编程都大同小异。

创建魔方

我们来看一个简单的示例,用一套 WebGL 库(这里我们选择 Three.js,最流行的 3D 绘图库之一)来创建我们在本文开头看到的旋转魔方。

  1. 首先,下载 index.htmlmetal003.png 并保存在同一个文件夹。图片将用于魔方的表面纹理。

  2. 然后,继续在同一个文件夹内创建 main.js 文件。

  3. 在编辑器中打开 index.html 可以看到其中有两个 <script> 元素,第一个将 three.min.js 嵌入页面,第二个将我们的 main.js 嵌入页面。需要自行 下载 three.min.js 库 并保存到同一个文件夹中。

  4. 将 three.js 嵌入页面后,就可以在 main.js 中添加新的代码对其加以应用了。请添加下面一行:

    var scene = new THREE.Scene();

    Scene() 构造器创建一个新的场景,表示即将显示的整个 3D 世界。

  5. 下一步,我们需要一部摄影机来看到整个场景。在 3D 绘图语境中,摄影机表示观察者在世界里的位置,可通过下面代码创建一部摄影机:

    var camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
    camera.position.z = 5;
    

    PerspectiveCamera() 构造器有四个参数:

    • 观察区域:镜头视角大小,用角度表示。
    • 屏幕宽高比:一般情况下,宽高比等于屏幕的宽比上屏幕的高。使用其他的值会使场景扭曲(也许正是你需要的,但一般都不是)。
    • 近裁切面:停止渲染前对象离摄影机的最近距离。设想一下,举起一个手指,逐渐移近双眼,某个点后就在也看不到这根手指了。
    • 远裁切面:停止渲染前离摄像机最远的对象的距离。

    将摄像机的位置设定为距 Z 轴 5 个距离单位的位置。与 CSS 类似,在屏幕之外你(观察者)的位置。

  6. 第三个重要参数是渲染器。我们用它来渲染给定的场景,可通过给定位值得摄影机观察。现在我们使用 WebGLRenderer() 构造器创建一个渲染器供稍后使用。添加以下代码:

    var renderer = new THREE.WebGLRenderer();
    renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
    document.body.appendChild(renderer.domElement);

    第一行创建一个新的渲染器,第二行设定渲染器在当前摄影机视角下的尺寸,第三行将渲染好的 <canvas> 对象加入HTML的 <body> 中。现在渲染器绘制的内容将在窗口中显示出来。

  7. 下一步,在画布中创建魔方。把以下代码添加到 JS 文件中:

    var cube;
    
    var loader = new THREE.TextureLoader();
    
    loader.load( 'metal003.png', function (texture) {
      texture.wrapS = THREE.RepeatWrapping;
      texture.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
      texture.repeat.set(2, 2);
    
      var geometry = new THREE.BoxGeometry(2.4, 2.4, 2.4);
      var material = new THREE.MeshLambertMaterial( { map: texture, shading: THREE.FlatShading } );
      cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
      scene.add(cube);
    
      draw();
    });

    内容很多,我们来剥丝抽茧:

    • 首先,创建一个全局变量 cube,这样就可以在代码任意位置访问我们的魔方。
    • 然后,创建一个 TextureLoader 对象,并调用 load()。 这里 load() 包含两个参数(其它情况可以有更多参数):需要调用的纹理图(PNG 文件)和纹理加载成功后调用的函数。
    • 函数内部,我们用 texture 对象的属性指明我们要在魔方的每个面渲染 2 × 2 的图片,然后创建一个 BoxGeometry 对象和一个 MeshLambertMaterial 对象,将两者作为 Mesh 的参数来创建我们的魔方。 Mesh 一般就需要两个参数:一个几何(形状)和一个素材(形状表面外观)。
    • 最后,将魔方添加进场景中,调用我们的 draw() 函数开始动画。
  8. 定义 draw() 函数前,我们需要先为场景打光,以照亮场景中的物体。请添加以下代码:

    var light = new THREE.AmbientLight('rgb(255, 255, 255)'); // soft white light
    scene.add(light);
    
    var spotLight = new THREE.SpotLight('rgb(255, 255, 255)');
    spotLight.position.set( 100, 1000, 1000 );
    spotLight.castShadow = true;
    scene.add(spotLight);

    AmbientLight 对象是可以轻度照亮整个场景的柔光,就像户外的阳光。而 SpotLight 对象是直射的硬光,就像闪光灯和手电筒(或者它的英文字面意思——聚光灯)。

  9. 最后,在代码末尾添加我们的 draw() 函数:

    function draw() {
      cube.rotation.x += 0.01;
      cube.rotation.y += 0.01;
      renderer.render(scene, camera);
    
      requestAnimationFrame(draw);
    }

    这段代码很直观,每一帧我们都沿 X 轴 和 Y 轴将魔方轻微转动,然后按摄像机视角渲染场景,最后调用 requestAnimationFrame() 来准备下一帧。

回顾一下最终效果:

你可以 到 Github 下载最终代码

注:在我们的 GitHub repo 还有另一个趣味 3D 魔方示例——Three.js Video Cube在线查看)。其中通过 getUserMedia() 来从电脑摄像头获取一段视频,将其投影到魔方上作为纹理。

小结

此刻你以经了解了一些 Canvas 和 WebGL 图形编程的基本理念和简单应用,你一定产生了不少创作灵感,玩得开心!

另请参阅

本文我们只涉及到画布最为基本的内容,以下内容帮你探索更多:

示例

  • Violent theramin:用 Web 音频 API 创建声音,用画布显示漂亮的视觉效果以配合音乐。
  • Voice change-o-matic:用画布为 Web 音频 API 产生的音效提供实时的视觉效果。

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此页面的贡献者: Roy-Tian, YeeMarco, kensz66, sunline.bucket, Ray-Eldath
最后编辑者: Roy-Tian,