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canvas 多个图形可视化操作:拖拽、缩放、旋转

前言

实现一个 canvas 拖拽、缩放、旋转的效果,如下效果图。

完整代码地址

如何管理

统一使用 typescript 来编写,在面对状态操作复杂的流程, ts 提供了状态标注,类型提示等。便于我们维护和梳理流程思路。比如类型标注提供了类似注释的功能,将对象描述清楚的同时,在我们使用相关属性或方法都会有提示和类型判断,十分的方便。

为了统一管理,创建 Cavans 、State、Shape 来分别管理 canvas 图像操作,状态和不同类图像的对外的统一接口封装

canvas 类

  • 用于创建 canvans ,初始化
  • 事件监听 mousedown、mousemove、mouseup 来响应用户操作
  • 提供基础的通用方法如 : initDraw(重新绘制画板图像)、windowLocToCanvas(获取鼠标位置相对于 canvas 画板的位置)更多可以查看 github 地址的代码

State 类

  • 记录当前选中图形的相关信息
  • 将在其他地方需要重复用到的数据、方法封装好暴露给外部,如:
    // 获取当前选中图形
    get currentShape() {
      return this.shapeList[this.index]
    }
    // 更新当前选中的图形序号
    updateIndex(index: number){
      this.index = index
    }
复制代码

图形类

这里分为 BaseShape 和 Rect 、 Circle 等自定义的类。我们绘制的图形可能有很多种类型,将他们抽离成类并且对外暴露的接口都相同,那我们使用方法的时候就不需要考虑这个图形到底属于什么类型,

比如下面的栗子,创建 Circle 类和 Rect 类,他们对外暴露的都是 drawShape 的方法都是相同的,只需要调用 drawShape 即可,而不需要考虑内部的实现逻辑。这样可以更好的抽离复杂的逻辑,维护性更好。

  // Circle 类
  drawShape(ctx: CanvasRenderingContext2D) {
    const { x, y, fillStyle, r } = this.shape
    ctx.beginPath()
    ctx.arc(x, y, r, 0, Math.PI * 2)
    ctx.fillStyle = fillStyle
    ctx.fill()
  }
  // Rect 类
  drawShape(ctx: CanvasRenderingContext2D) {
    const { x, y, fillStyle, w, h } = this.shape
    ctx.beginPath()
    ctx.rect(x, y, w, h)
    ctx.fillStyle = fillStyle
    ctx.fill()
  }
复制代码

BaseShape 类

将图形需要的基础方法和属性都统一抽离到该类中,例如 x,y 都表示图形绘制的起点的位置。这样减少重复代码,阅读体验更好

export default class BaseShape {
  x!: number;
  y!: number;
  zIndex?: number;
  rotateDeg = 0
  // 旋转控制点距离边的距离
  rotateY= 80
  // 控制点的大小
  point = { w:20,h:20 }
  state: State
  // 当前图形处于列表中的位置
  index: number
  constructor(shape: Shape,state: State,index: number) {
    const { x,y,zIndex,rotateDeg } = shape
    this.x = x
    this.y = y
    this.zIndex = zIndex
    this.rotateDeg = rotateDeg || 0
    this.state = state
    this.index = index
  }
}
复制代码

Rect 类

由于不同 Shape 类提供外部的接口是相同的,那么这些 shape 类内部就是如何实现具体的操作,例如上面提到的 drawShape ,在不同类的实现方式是不一样的,rect 是使用 ctx.rect()来绘制图形,cicle 是使用 ctx.arc(),线段是通过 ctx.lineTo()。这样将相同类的操作聚合在一个同一个类中,同样也使代码更加有条理和可维护。

  // Rect 类
  drawShape(ctx: CanvasRenderingContext2D) {
    const { x, y, fillStyle, w, h } = this.shape
    ctx.beginPath()
    ctx.rect(x, y, w, h)
    ctx.fillStyle = fillStyle
    ctx.fill()
  }
复制代码

操作

怎么给图形绑定事件

由于 canvas 中绘制的图形不像 html 中的 dom 一样可以绑定事件,如果我们想要给指定的图形添加事件需要代理到 canvas 元素上。

点击查看:给图形添加事件 codepen 实例

通过实例给矩形添加了 move 事件,在这个例子中做了哪些事?

  1. 开始绘制了一个矩形
  2. 当我们点击 canvas 画布的时候通过,canvas 来做事件代理,通过 ctx.isPointerInPath(clientX,clientY) 来判断点击位置是否落在图形中
  3. 如果落在图形中,当 mousemove 事件中重新绘制矩形,达到图形移动的效果,起始每次移动的矩形都是重新绘制的,而不是之前的那个。
  4. 例子中的 ctx.getImageData() 和 ctx.putImageData 后面会继续介绍,现在只需要知道 canvas 实现物体移动的大致流程是这样的。这一切看起来都挺顺利的。

多个图形时判断点中物体出错

当我们在 canvas 上绘制多个图形的时候会发现,使用 ctx.isPointerInPath()来判断是否点击最后一个图形是可以,但是前面绘制的图形无效。

这里需要介绍一下路径的概念,那画一条直线为例

  1. 可以将 ctx.moveTo(x,y) 看作是落笔点,就是画笔点笔头,用于设置画笔点起点位置
  2. ctx.lineTo(x,y) 将画笔从上一个起点开始,画一条线到 lineTo 设置的位置。
  3. 通过上面的操作,我们已经得到一条直线的路径,但是此时画板上没有出现一条直线,因为路径只是设置了绘制的路径,并没有实际的绘制线。如果我们想绘制出这条线使用 ctx.stroke() 来绘制。
  4. ctx.stroke()绘制当前或者已存在的路径。我们可以使用 ctx.lineTo() 、ctx.rect() 等绘制路径等方法绘制多条路径,然后使用 ctx.stroke() 将这些路径一次绘制出来。

有了上面的认识以后我们可以开始绘制我们想要的路径,假设我们想要绘制 (0,0) 到 (100,100) 的一条直线 为蓝色,再绘制一条路径(100,100) 到(200,200) 为绿色。写下如下代码

ctx.moveTo(0,0)
ctx.strokeStyle = 'blue'
ctx.lineTo(100,100)
ctx.strokeStyle = 'green'
ctx.lineTo(200,200)
ctx.stroke()
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会很奇怪的发现,这两条线最终都变成了绿色,咋回事。原来 ctx.stroke()是对已有的所有路径都进行绘制,并且最后一次设置的绘制颜色 ctx.strokeStyle = 'green' 。所以所有路径都重新绘制并应用了绿色。 那我想要实现前面的需求该怎么办? 这里要使用 ctx.beginPath()

ctx.beginPath()

清空子路径开始一个新路径的方法。代码如下

// step1
ctx.beginPath()
ctx.moveTo(0,0)
ctx.strokeStyle = 'blue'
ctx.lineTo(100,100)
// step2 应用的样式只会作用在新的路径上
ctx.strokeStyle = 'green'
ctx.beginPath()
ctx.lineTo(200,200)
ctx.stroke()
复制代码

有人可能会有疑问,我使用 ctx.beginPath()以后会不会影响到之前绘制的图形。答案是不会,因为路径是定义我们图形的形状,你在 step1 结束后,你已经得到了线段 1,他已经绘制在 canvas 上,你后序该路径并不会影响已经绘制的路径。

多物体时候绘制出错的原因

有了上面的认识以后,我们可以得到为什么 ctx.isPointerInPath(clientX,clientY) 无法判断前面绘制的图形了,因为每次绘制图形都会使用 ctx.beginPath()清除之前绘制的路径。 而 ctx.isPointerInPath 是根据路径来判断目标位置是否在路径中。

那我们有上面方法去解决呢? 开始我用的一种方法就是重新绘制所有路径,在每次绘制的时候判断当前点击位置是否存在在路径中。这样就可以判断我们点击位置在那个路径上了。

假设我们有一个

const pathList = [
  {
    type:'circle',
    x:100,
    y:100,
    r:30
  },
  {
    type:'rect',
    x:200,
    y:100,
    w:40,
    h:40
  }
]
复制代码

现在我们通过列表绘制了一个圆和一个矩形。当我们点击时候,我们遍历这个 pathList ,将这个数组里的图形都绘制一遍,然后使用 ctx.isPointerInPath(clientX,clientY) 来判断是否点击中了图形。如果有说明我们命中该图形。

点击查看多个图形选中判断方式 查看上面 demo 后解决了多个图形事件的问题,这一切看起来都挺顺利的。

绘制可缩放的图形

当我们绘制如图当形状当时候,当我们点击矩形四个角的  框时候移动可以拉伸矩形的大小。根据前面的知识,我们绘制多个 path 路径,然后使用一次 ctx.stroke() 将图形绘制出来,我们就可以根据 ctx.isPointerInPath(clientX,clientY) 来判断当前是否命中图形。
但是当我们需要判断是否点击中四个角的小矩形的时候就麻烦了。

  1. 可以通过计算的方式判断当前点击位置
  2. 将最后四个控制框分别绘制判断是否落在其中
  3. 使用 Path2D 创建绘制路径,然后通过 ctx.isPointerInPath(path,x,y) 来判断是否落在指定路径中。
  const path = new Path2D()
  ctx.beginPath()
  path.rect(x, y, w, h)
  ctx.fillStyle = fillStyle
  ctx.fill(path)
复制代码

绘制旋转图形

在 canvas 中使用 ctx.rotate(angle) 来实现图形旋转,有两点要注意:

  1. 这里是 angle 是弧度,弧度和角度的关系:rad = 45 * Math.PI / 180 45 度对应的弧度值
  2. 旋转的中心点默认是原点(0,0),所以一切旋转的都是以原点旋转。如果你想根据图形的中心点旋转要通过 ctx.translate(x,y) 来设置旋转中心点。

通过上图可以看出使用 ctx.translate(100,100) 就是将坐标系向右移动 100px 向下移动 100px,以后(100,100) 就相当于之前的原点,参考点就改变了。 旋转套用的公式如下:相当于我们将坐标原点移动到物体的中心点,完成旋转,自然达到了中心旋转的效果,但是后序的图形绘制参考点都以(100,100) 为原点这可不行,我们需要重置。这里需要介绍一下 canvas 上下文环境。

ctx.save()
ctx.translate(x + width / 2,  y + height / 2)
ctx.rotate(angle * Math.PI / 180)
ctx.rect( -width / 2,  -height / 2, width, height)
ctx.restore()

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通过 ctx.save() 是将 canvas 2d 当前的环境状态放入栈中,保存 canvas 当前的状态。可保存的分为四类。

  • 当前的变换矩阵。
  • 当前的剪切区域。
  • 当前的虚线列表.
  • 以下属性当前的值: strokeStyle, fillStyle, globalAlpha, lineWidth, lineCap, lineJoin, miterLimit, lineDashOffset, shadowOffsetX, shadowOffsetY, shadowBlur, shadowColor, globalCompositeOperation, font, textAlign, textBaseline, direction, imageSmoothingEnabled.

当我们旋转完图形后需要恢复坐标系就需要使用 ctx.restore() 将之前保存最近一次的状态,例如坐标系(变换矩阵)等保存的属性。

如果根据当前鼠标移动判断旋转角度

Math.atan2(y,x)

Math.atan2() 返回从原点(0,0)到(x,y)点的线段与 x 轴正方向之间的平面角度(弧度值),也就是 Math.atan2(y,x),返回的夹角是与 X 轴的夹角 返回的是弧度值 弧度 = deg(角度) Math.PI / 180 由此推导出 deg(角度) = 弧度 180 / Math.PI

如上图,如果我们用角度来描述 (10,10) 和 (10,-10) 和(0,0) 都是 45 度。而使用 Math.atan2 可以描述当前位置相对于 (0,0)所在的象限(角度的正负)。

Math.atan2(10,10) = 0.7853981633974483
Math.atan2(-10,10) = -0.7853981633974483
复制代码

具体实现

  // 当鼠标点击的时候记录初始鼠标位置
  mouseDown() {
    const canvas = this.canvas
    canvas.addEventListener('mousedown',e=>{
      const {x,y} = this.windowLocToCanvas(e)
      this.state.mouseDown = {x,y}
    })
  },
  mouseMove() {
    const canvas = this.canvas
    canvas.addEventListener('mousemove',e=>{
      const loc = this.windowLocToCanvas(e)
      const { isRotating } = this.state
      // 判断当前物体是否处于旋转控制点
      if(isRotating) {
        this.calcRotateAngle(loc)
      }
    })
  }
  calcRotateAngle(loc){
    const { mouseDown:{x:mx,y:my} } = this.state
    const shape = this.state.currentShape
    // 取出当前图形的中心位置
    const [cx,cy] = this.adaptShape(shape,this.state.index).centerPosition
    const { x,y } = loc
    // 计算鼠标点击的时候相对于中心点的旋转角度
    const initDeg = Math.atan2(my-cy,mx-cx)
    // 计算当前鼠标位置相对于中心点的旋转角度
    const currentDeg = Math.atan2(y-cy,x-cx)
    // 两者相减就是旋转的角度
    this.state.updateAngle(currentDeg-initDeg)
    this.initDraw()
  }
复制代码

说说 ctx.getImageData(sy,sy) ctx.putImageData(imageData,dx,dy)

CanvasRenderingContext2D.getImageData() 返回一个 ImageData 对象,用来描述 canvas 区域隐含的像素数据,这个区域通过矩形表示,起始点为(sx, sy)、宽为 sw、高为 sh。

getImageData 就是将当前 canvas 上的数据存储起来返回一个 ImageData 这样的对象来描述当前保存的 canvas 像素数据。

CanvasRenderingContext2D.putImageData() 是 Canvas 2D API 将数据从已有的 ImageData 对象绘制到位图的方法。 如果提供了一个绘制过的矩形,则只绘制该矩形的像素。此方法不受画布转换矩阵的影响。 putImageData 就是将存储的 ImageData 数据重新绘制到 canvas 上。

ctx.getImageData(sy,sy) 和 ctx.save() 的区别

  • ctx.getImageData(sy,sy) 存储的是指定区域的像素,而 ctx.save() 存储的是状态,之前介绍的四种类型的状态。
  • ctx.getImageData(sy,sy) 配合 ctx.putImageData(imageData,dx,dy) 来使用。ctx.save() 配合 ctx.restore() 使用。

ctx.putImageData() 和 ctx.clearRect() 的区别

  • ctx.clearRect()是将指定区域的像素清除掉,会形成空白的画板。 ctx.putImageData() 是将之前存储的整个指定区域的像素重新绘制到指定区域的。如果存储的像素都是空白,那么两者看起来的效果是相同的。
  • 但是 ctx.putImageData() 用途并不是清理的,而是重置画板像素区域的。例如我们绘制来一个网格背景,当我们重新绘制图形的时候,网格背景一直需要,那可以使用 imageData 来存储这个背景,而不需要调用绘制方法重新绘制一次。

参考

canvas 图像旋转与翻转姿势解锁 by Yetty on 2017-05-25

画板工具

如何在Canvas中添加事件

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