Canvas 局部渲染优化总结

简介

G2（图表引擎） 4.0 和 G6（图分析引擎） 3.4版本已经替换了 G（2D 渲染引擎）4.0，这个版本最大的改进是支持了局部渲染，在一些场景下例如节点的状态改变、图形的个体动画等方面性能提升巨大。G 4.0 从开始重构到现在稳定经历了半年的不断完善，遇到了各种各样的问题，本文将对 Canvas 的局部渲染做一个总结，给后来者一些帮助。

问题分析

由于 Canvas 的绘制方式是画笔式的，在 Canvas 上绘图时每调用一次 API 就会在画布上进行绘制一次，一旦绘制图形就成为画布的一部分。绘制图形时并没有对象保存下来，一旦图形需要更新，需要清除整个画布重新绘制。

为什么要把整个 Canvas 画布都清除，然后整体重绘？我们以上面的两张图为例，以左图为例，1, 2 没有同其他的图形重合，可以清除掉重新绘制，但是 3，4 就无法单独清理掉重绘；右图仅仅在左图的基础上增加一条折线，这时候我们就无法刷新单个图形了。
而在我们要实现局部渲染时，需要考虑的两个因素是：

单次刷新时影响的范围最小
刷新的图形不会影响其他图形的正确绘制

仅仅缩小刷新时的范围从而提升性能并不够，以右图为例，如果我们要刷新图形 2 将图形变成红色。这时候如果仅仅清理掉图形 2 ，重新绘制则：

折线就会部分消失，这与我们的预期不一致。局部刷新不但要保证刷新的范围足够小，还要保证图形绘制的正确性。

方案

我们来思考 Canvas 局部渲染方案时，需要看 Canvas 的 API 给我们提供了什么样的接口，这里主要用到两个方法：

clip() 确定绘制的的裁剪区域，区域之外的图形不能绘制，详情查看 CanvasRenderingContext2D.clip()
clearRect(x, y, width, height) 擦除指定矩形内的颜色，查看 CanvasRenderingContext2D.clearRect()

通过这两个 API 我们可以得到 Canvas 局部刷新的方案：

清除指定区域的颜色，并设置 clip
所有同这个区域相交的图形重新绘制

以上图为例，如果我们想刷新图形 3，使得图形的颜色变成红色

首先确定图形的矩形包围盒
清除这个包围盒内的颜色，设置这个区域为 clip 区域
重新绘制所有跟这个区域相交的图形
重绘图形 3
重绘图形 4

遇到的问题

真实的在 G 4.0 中实现局部渲染时遇到的问题比上面的案例复杂的多：

G 不仅仅支持图形渲染，也支持分组 Group，一旦分组发生变化也会触发局部刷新
除了图形的属性变化外，图形的顺序调整、添加、移除图形以及显示隐藏等也会导致刷新
图形和分组上会增加各种矩阵，图形的包围盒计算频繁而又复杂

这些问题在 1-2 周内都解决了，但是在接入 G2 和 G6的过程中遇到了一些完全没想过的问题持续了半年的时间，主要体现在两个方面：

包围盒计算不精确，导致的残影问题
局部刷新导致的性能下降

残影的问题

首先我们来看画布上的两条线，同样都是 1 像素颜色 #333 的线，有什么差别？

很明显上面的一条，两像素宽，同时颜色变淡，两条线的坐标为：

线段1（粗）： (10, 100) - (200, 100)
线段2（细）：(10, 149.5) - (200, 149.5)

由于屏幕的分辨率只能在整数的点上绘制颜色，线段 1 一半绘制在（10, 99）-（200, 99）一半绘制在（10, 101 ）-（200 101）上，所以浏览器会自动的把落到半个像素上的点扩展成一个点，颜色变淡，就变成了下图的示例（示例中画布进行放大，每个单元格代表一像素）。

所以在 Canvas 画布上绘制图形时，任意的点如果部分落到一个像素上，都会占满整个像素，这个问题在平时的整体刷新时不明显，一旦我们来实现局部刷新就会出现问题，下面的多个问题都与此相关。

浮点数计算的问题

我们在绘制图形时很多图形属性是自动计算出来的，例如：

直线（10.2, 44.3) - (20.1, 10.5)
圆，圆心（10.5, 8.8) 半径 3.4

这时候图形绘制的区域同数学计算出来的并不一致，这就会导致局部刷新时清空的区域不足，会留下一些残影。

上图中对圆进行几何计算的包围盒和实际的包围盒有了差别，这时候局部渲染就出问题了。解决方案：

将包围盒的 minX, minY 向下取整（10.2， 10.5） -> （10， 10）
将包围盒的 maxX，maxY 向上取整 (20.1， 44.3） -> (21, 45)

折线夹角的问题

由于 Canvas 在实现折线时，在线段的交接处做了处理，会附加额外的像素，使得折线更美观，我们来看下单独绘制两条线段，和一条折线的差别：

红框为我们通过数学计算出来的包围盒，可以看出折线的拐角处明显超出一部分，这时候折线改变时的刷新就不准确。解决这个问题有两个解决方案：

canvas 在绘制时提供了一个参数： lineJoin，可以设置 context.lineJoin="bevel|round|miter";详情参看 canvas lineJoin 可以改成 bevel 就不再有尖角，但是同我们的预期不一致。
计算折线包围盒时增加拐角的计算，如果折线线段的夹角小于 90 度，则计算超出的像素数。如果折线的线段比较多，可以仅计算落到折线上下左右四个边上拐点超出的像素数（有一定风险）

shadow 的问题

在 Canvas 上绘制图形时可以指定阴影，有四个参数关系到阴影的设置：

shadowColor	设置或返回用于阴影的颜色
shadowBlur	设置或返回用于阴影的模糊级别
shadowOffsetX	设置或返回阴影距形状的水平距离
shadowOffsetY	设置或返回阴影距形状的垂直距离

下面两个圆，如果不考虑阴影进行局部刷新时会出现下面的情况：

所以在局部渲染时，通过判断是否有 shadowColor 来附加额外的包围盒，计算出阴影影响的范围，同原始的包围盒相并即可：

// 如果存在 shadow 则计算 shadow
if (attrs.shadowColor) {
  const { shadowBlur = 0, shadowOffsetX = 0, shadowOffsetY = 0 } = attrs;
  const shadowLeft = minX - shadowBlur + shadowOffsetX;
  const shadowRight = maxX + shadowBlur + shadowOffsetX;
  const shadowTop = minY - shadowBlur + shadowOffsetY;
  const shadowBottom = maxY + shadowBlur + shadowOffsetY;
  minX = Math.min(minX, shadowLeft);
  maxX = Math.max(maxX, shadowRight);
  minY = Math.min(minY, shadowTop);
  maxY = Math.max(maxY, shadowBottom);
}

箭头的问题

在线上增加箭头是个常见需求，但是由于箭头是附加在线上的，计算包围盒未计算在其中，这就导致刷新时箭头未被清除，同时箭头又有多种情况，还要考虑箭头的自定义：

因此 G 4.0 将箭头实现成了一个新的 shape，线包围盒计算时同时附加箭头的包围盒，进行相并处理。

文本渲染的问题

你能看清楚下面的文本发生了什么吗？如果仔细观察会发现文本左侧被裁剪掉了一像素，这种情况在多个场景下都存在

通过一番痛苦的排查发现，在这个 demo 的页面上有一个属性，在不同的字体下导致文字的宽度不一致：

分析一下原因发现，当前文本的宽度计算是通过离屏 Canvas ，也就是创建一个 canvas 标签，但是没有放入 document.body 下，导致离屏 Canvas （1*1 的画布）上的 font 相关的属性同当前 Canvas 不一致导致的。有两个方案可以解决这个问题：

将离屏的 cavas 添加到当前页面文件流中
在图表中设置所有的 font 属性，覆盖掉 body 上的属性

浏览器缩放的问题

G2 4.0 和 G6 3.4 发布后，有用户反馈在页面上进行操作时，出现一些线的划痕

一开始是怀疑线宽度计算时的浮点数问题，我们在本地和虚拟机上进行了测试，始终没有定位到问题。用户反馈他们对浏览器进行了缩放，通过检测他们浏览器页面上的 window.devicePixelRatio 是非整数。这个参数是浏览器和屏幕的像素比，一般情况下是 1，高精屏下可能是 2 或者 3，为了让图形的绘制更加清晰我们在 G 上进行处理，屏蔽了这个参数，但是在用户对浏览器进行了缩放后，这个参数会变成 1.2、1.3 、1.5 等非整数值。
在开始讨论遇到的局部渲染问题时，我们介绍了直线在屏幕上的绘制，绘制发生在部分像素时浏览器会将整个像素设置颜色，并且变浅，这就出现了线的浅色的划痕。
解决方案：当 window.devicePixelRatio 是非整数时，给包围盒四个方向各附加 0.5 像素，然后取整即可。

// 附加 0.5 像素，会解决1px 变成 2px 的问题，无论 pixelRatio 的值是多少
// 真实测试的环境下，发现在 1-2 之间时会出现 >2 和 <1 的情况下未出现，但是为了安全，统一附加 0.5
const appendPixel = 0.5;
if (region) {
  region.minX = Math.floor(region.minX - appendPixel);
  region.minY = Math.floor(region.minY - appendPixel);
  region.maxX = Math.ceil(region.maxX + appendPixel);
  region.maxY = Math.ceil(region.maxY + appendPixel);
}

性能问题

大量分散的图形刷新

如果同时有多个图形进行刷新，为了减少包围盒的计算，我们会把所有刷新的图形的包围盒进行合并，但是会出现一些特殊情况，导致局部渲染的性能下降，例如：

视窗外的图形刷新

这些局部渲染的性能问题的解决方案牵扯的方面比较多，不在这里展开，可以参考渲染裁剪优化

总结

经历了半年的改造，G 4.0 的局部渲染方案已经经历了 G2 和 G6 的考验，在局部刷新的场景下在交互和性能等方面提升了 7-10 倍，但是依然存在一些特殊场景上的性能问题，还在持续优化中。渲染的一分提升，上层都会有十分的收获。

AntV 官网：antv.vision/
2D 绘图引擎 G：github.com/antvis/g

AntV Canvas 局部渲染总结