用Flutter做桌上弹球？聊聊绘图（Canvas&CustomPaint）API

本文是Flutter中Canvas和CustomPaint API的使用实例。
首先看一下我们要实现的效果：
结合动图演示，列出最终目标如下：

在程序运行后，显示一个小球；
每次程序启动后，小球的样式均发生随机性变化，体现在大小、颜色和位置三点；
小球运行的规律参考桌球或三维弹球游戏；
单击屏幕，小球变色；
双击屏幕，小球暂停/恢复运动；
长按屏幕，小球开始/停止自动变色。

运用的主要技术点： Canvas和CustomPaint API。

运行平台： Android、iOS

源码地址：
Github Gitee

功能拆解

首先拆解前文中所列出的6个实现目标，显而易见，要实现它们，我们需要：

随机颜色生成器；
随机位置生成器；
随机尺寸生成器；
小球绘制逻辑；
小球运动逻辑：
- 边界判定；
- 初始运动方向生成器；
- 定向移动位置更新器。
用户手势监听器。

功能实现

接下来，我们逐步实现功能拆解中所列举的6个具体功能。

随机颜色生成器

随机颜色生成器在程序启动、单击屏幕和自动变色中使用。 在Flutter中，我们可以通过Color类对红、绿、蓝和透明度分别定义，来定义某个唯一的颜色，数值范围是0-255。对于透明度，0表示完全透明，255表示完全不透明。
对于随机数值，我们使用Random类生成0-255之间的随机整数。
随机颜色生成器则主要使用上述两个类来实现，具体代码片段如下：

Color _color = Color.fromARGB(0, 0, 0, 0);

// 改变小球颜色
void changeColor() {
	_color = Color.fromARGB(255, Random().nextInt(255), Random().nextInt(255),Random().nextInt(255));
}

随机位置生成器

随机位置生成器在程序启动时使用。 要生成随机位置，方法依然是使用Random类，但要注意随机值范围。通常我们需要小球出现的位置在屏幕内，因此，我们需要生成两次随机数，分别表示小球初始位置的x和y轴坐标。坐标值分别小于屏幕横向尺寸和纵向尺寸。当然，它们都要大于0。
另外，我们还需要分别获取屏幕的宽高。
因此，具体代码实现如下：

[获取屏幕宽高]

double screenX, screenY;
@override
Widget build(BuildContext context) {
	screenX = MediaQuery.of(context).size.width;
	screenY = MediaQuery.of(context).size.height;
	...
}

[生成随机位置]

double _x = 0, _y = 0;

// 生成小球初始位置和大小
void generateBall() {
	_x = Random().nextDouble() * screenX;
	_y = Random().nextDouble() * screenY;
}

随机尺寸生成器

随机尺寸生成器在程序启动时使用。 完成了之前两种随机值的生成，到了尺寸这里，就很轻车熟路了。由于随机尺寸和随机位置都在程序启动时调用，且操作对象都是小球，我们将其实现都放在generateBall()方法中。最终代码如下：

double _x = 0, _y = 0, _size = 0;

// 生成小球初始位置和大小
void generateBall() {
    _size = Random().nextDouble() * (screenY - screenX).abs();
    _x = Random().nextDouble() * screenX;
    _y = Random().nextDouble() * screenY;
}

小球绘制逻辑

要在界面上绘制小球，我们需要使用CustomPaint组件。而CustomPaint组件需要一个CustomPainter实例。小球的绘制工作主要在继承了CustomPainter的类中。我们直接看代码：

import 'package:flutter/material.dart';
import 'package:flutter/widgets.dart';

class Ball extends CustomPainter {
  Paint _paint;

  double _x, _y, _size;

  Ball(double x, double y, double size, Color color) {
    _paint = new Paint();
    _paint.isAntiAlias = true;
    _paint.color = color;
    this._x = x;
    this._y = y;
    this._size = size;
  }

  @override
  void paint(Canvas canvas, Size size) {
    canvas.drawOval(Rect.fromCenter(center: Offset(_x, _y), width: _size, height: _size), _paint);
  }

  @override
  bool shouldRepaint(CustomPainter oldDelegate) {
    return oldDelegate != this;
  }
}

通过阅读上面的代码，可以发现，整个Ball类除了构造方法外，只有两个override的方法，可以说是很简单了。
在构造方法中，我们初始化了_paint对象，它是可以看做是“画笔”；
在paint()方法中，我们调用canvas对象的drawOval方法画圆，表示小球。canvas可以看做是“画板”；
shouldRepaint()方法表示在刷新布局的时是否需要重绘，只有在返回true时会发生重绘，这里我们让程序自行判断就可以了。
我们将上述代码保存为ball.dart备用。
注意，这里面无论是位置、颜色还有尺寸，都没有写固定的值。是因为该类只负责“画圆”，而具体画什么样的圆，则交给该类的使用者来定义，也就是main.dart。
在main.dart中，我们将App设置为全屏，并添加全屏尺寸的CustomPaint组件，组件内放置Ball对象。

@override
Widget build(BuildContext context) {
    screenX = MediaQuery.of(context).size.width;
    screenY = MediaQuery.of(context).size.height;
    return Scaffold(
        body: GestureDetector(
        child: Container(
            width: double.infinity,
            height: double.infinity,
            child: CustomPaint(painter: Ball(_x, _y, _size, _color))),
        onTap: () {
        	// 改变小球颜色
        	changeColor();
        },
        onDoubleTap: () {
        	// 暂停/恢复移动
        	_keep_move = !_keep_move;
        },
        onLongPress: () {
        	// 自动改变小球颜色
        	_auto_change_color = !_auto_change_color;
        },
    ));
}

上述代码中，GestureDetector组件负责接收用户点击事件，其中的_keep_move、_auto_change_color都是布尔类型变量，是小球移动和自动变色功能的开关。
接下来，我们在initState()方法中调用之前的随机位置生成器、随机尺寸生成器和随机颜色生成器，赋值_x、_y、_size和_color。

@override
void initState() {
    super.initState();
    WidgetsBinding.instance.addPostFrameCallback((timeStamp) async {
        generateBall();
        changeColor();
        calculateMoveAngle();
        startMove();
    });
}

这里面，calculateMoveAngle()和startMove()方法分别对应初始运动方向生成器以及开始运动并定期更新UI的方法。除了这两个方法外，如果现在运行程序的话，应该可以看到一个静态的小球出现在屏幕上了，并且随着每次重新运行程序，小球的样式和位置都将发生变化。
接下来，我们就来让小球动起来吧！

小球运动逻辑

要让小球准确无误地运动，我们需要遵循以下步骤：首先生成一个随机的运动方向；然后以60FPS的频率，每次在运动方向上前进5个像素的步长（当然，你可以自定义）；最后还要注意边界判定，在小球到达屏幕边缘时正确转向。
下面我们逐个实现。

初始运动方向生成器

既然是随机方向，那么平面上360度范围内任何一个角度都有可能。因此，我们这里需要先生成0-360范围内的值。然后根据三角函数和运动方向的速度，计算出横、纵坐标的速度。其实很简单，就是勾股定理。

double _step_x, _step_y, _angle;

// 计算小球初始移动角度（方向）
void calculateMoveAngle() {
    _angle = Random().nextDouble() * 360;
    _step_x = sin(_angle) * _speed;
    _step_y = cos(_angle) * _speed;
}

我们这里把运动速度（_speed）看做是三角形的斜边，横、纵坐标的移动速度（_step_x、_step_y）看做是三角形的直角边即可。没记错的话，都是初中几何知识，不会很难理解。

定向移动位置更新器

前文说到，我们将以60FPS的刷新率更新界面，这也就意味着，每隔大约16ms刷新一次小球位置。因为只有小球的运动，才能让人感到界面在“更新”。这一步骤，我们用到Timer类。并将更新器在initState()方法中调用，以便程序启动后，小球即刻运动，也就是前文代码中见到的startMove()方法。

// 开始移动
void startMove() {
    Timer.periodic(Duration(milliseconds: 16), (timer) {
        moveBall();
        setState(() {});
    });
}

// 小球移动
void moveBall() {
    _x += _step_x;
    _y += _step_y;
}

到此为止，小球已经可以开始沿着某个随机方向移动了。但很快，它将移出屏幕。

边界判定

显然，小球每前进一步，都要做屏幕边界判定，以防小球移出屏幕范围。而边界判定在moveBall()方法中实现似乎是最恰当的。
我们可以轻松地总结出小球移动的规律，当小球移动到屏幕边缘时，我们只需让其反向运动即可。比如，小球以3的速度移动并接触屏幕的右边缘，接下来，仍以3的速度移动并朝向屏幕的左边缘。
水平方向如此，垂直方向亦如此。
因此，我们的边界判定逻辑如下：

// 带有便捷判定的小球移动
void moveBall() {
    if (_x >= screenX || _x <= 0) {
        _step_x = 0 - _step_x;
    }
    _x += _step_x;
    if (_y >= screenY || _y <= 0) {
        _step_y = 0 - _step_y;
    }
    _y += _step_y;
}

用户手势监听器

最后，配合用户手势及相关的布尔变量，在每次刷新小球位置时实现变色和暂停移动。
继续修改moveBall()方法：

// 带有便捷判定的小球移动
void moveBall() {
    if (_keep_move) {
        if (_x >= screenX || _x <= 0) {
            _step_x = 0 - _step_x;
        }
        _x += _step_x;
        if (_y >= screenY || _y <= 0) {
            _step_y = 0 - _step_y;
        }
        _y += _step_y;
        if (_auto_change_color) {
            changeColor();
        }
    }
}

到此，程序全部实现完成。 下面放上完整的main.dart代码：

import 'dart:async';
import 'dart:math';

import 'package:flutter/material.dart';
import 'package:flutter/services.dart';

import 'ball.dart';

void main() {
  runApp(MyApp());
}

class MyApp extends StatelessWidget {
  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    SystemChrome.setEnabledSystemUIOverlays([]);
    return MaterialApp(
      title: 'Flutter Demo',
      theme: ThemeData(
        primarySwatch: Colors.blue,
        visualDensity: VisualDensity.adaptivePlatformDensity,
      ),
      home: BounceBall(),
    );
  }
}

class BounceBall extends StatefulWidget {
  @override
  _BounceBallState createState() => _BounceBallState();
}

class _BounceBallState extends State<BounceBall> {
  final double _speed = 5;

  double _x = 0, _y = 0, _size = 0;

  double _step_x, _step_y, _angle;

  Color _color = Color.fromARGB(0, 0, 0, 0);

  bool _auto_change_color = false;

  bool _keep_move = true;

  double screenX, screenY;

  @override
  void initState() {
    super.initState();
    WidgetsBinding.instance.addPostFrameCallback((timeStamp) async {
      generateBall();
      changeColor();
      calculateMoveAngle();
      startMove();
    });
  }

  @override
  Widget build(BuildContext context) {
    screenX = MediaQuery.of(context).size.width;
    screenY = MediaQuery.of(context).size.height;
    return Scaffold(
        body: GestureDetector(
      child: Container(
          width: double.infinity,
          height: double.infinity,
          child: CustomPaint(painter: Ball(_x, _y, _size, _color))),
      onTap: () {
        // 改变小球颜色
        changeColor();
      },
      onDoubleTap: () {
        // 暂停/恢复移动
        _keep_move = !_keep_move;
      },
      onLongPress: () {
        // 自动改变小球颜色
        _auto_change_color = !_auto_change_color;
      },
    ));
  }

  // 开始移动
  void startMove() {
    Timer.periodic(Duration(milliseconds: 16), (timer) {
      moveBall();
      setState(() {});
    });
  }

  // 改变小球颜色
  void changeColor() {
    _color = Color.fromARGB(255, Random().nextInt(255), Random().nextInt(255),
        Random().nextInt(255));
  }

  // 生成小球初始位置和大小
  void generateBall() {
    _size = Random().nextDouble() * (screenY - screenX).abs();
    _x = Random().nextDouble() * screenX;
    _y = Random().nextDouble() * screenY;
  }

  // 计算小球初始移动角度（方向）
  void calculateMoveAngle() {
    _angle = Random().nextDouble() * 360;
    _step_x = sin(_angle) * _speed;
    _step_y = cos(_angle) * _speed;
  }

  // 带有便捷判定的小球移动
  void moveBall() {
    if (_keep_move) {
      if (_x >= screenX || _x <= 0) {
        _step_x = 0 - _step_x;
      }
      _x += _step_x;
      if (_y >= screenY || _y <= 0) {
        _step_y = 0 - _step_y;
      }
      _y += _step_y;
      if (_auto_change_color) {
        changeColor();
      }
    }
  }
}

让我们一起让这个程序跑起来吧！