Canvas学习:绘制圆和圆弧

blacklion 发布于4月前 阅读12113次
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圆和圆弧是图形中基本图形之一,今天我们来了解在Canvas中怎么绘制圆和圆弧。在Canvas中绘制圆和圆弧其实和绘制线段和矩形一样的简单。在Canvas中, CanvasRenderingContext2D 对象提供了两个方法( arc() 和 arcTo() )来绘制圆和圆弧。

与圆和圆弧相关的基础知识

在学习如何绘制圆和圆弧之前,有一些相关的基础知识有必要先进行了解。

  • 角度旋转
  • 角度和弧度
  • 正切

角度旋转

在坐标系中,旋转分为顺时针和逆时针两个方向旋转:

Canvas学习:绘制圆和圆弧

角度和弧度

在CSS中,做旋转常用到的都是角度( deg )。但在Canvas中绘制圆或圆弧时用到的是弧度( rad )。 维基百科 中是这样描述弧度的:

弧度又称弪度,是平面角的单位,也是国际单位制导出单位。单位弧度定义为圆弧长度等于半径时的圆心角。角度以弧度给出时,通常不写弧度单位,或有时记为 rad 。

Canvas学习:绘制圆和圆弧

一个完整的圆的弧度是 2π ,所以 2π rad = 360° , 1 π rad = 180° , 1°=π/180 rad , 1 rad = 180°/π (约 57.29577951° )。以度数表示的角度,把数字乘以 π/180 便转换成弧度;以弧度表示的角度,乘以 180/π 便转换成度数。

rad = (π / 180) * deg

同样的:

deg = (rad * 180) / π

平时我们常看到的各种弧度如下:

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JavaScript中弧度角度换算

仅难了解角度和弧度之间的关系是不够的,我们还需要知道怎么使用JavaScript来实现角度和弧度之间的换算。一个 π 大约是 3.141592653589793 ,在JavaScript中对应的是 Math.PI 。那么角度和弧度之间的换算:

rad = (Math.PI * deg) / 180

同样的:

deg = (rad * 180) / Math.PI

为了方便计算和使用,可以将其封装成JavaScript函数:

function getRads (degrees) {
    return (Math.PI * degrees) / 180;
}

function getDegrees (rads) {
    return (rads * 180) / Math.PI;
}

比如我们要将 30deg 转换成 rad ,可以直接使用:

getRads(30); // 0.5235987755982988rad
getDegrees(0.7853981633974483); // 45deg

下图展示了常见的角度和弧度之间的换算:

Canvas学习:绘制圆和圆弧

正切

正切 (Tangent,tan,也作tg)是 三角函数 的一种。它是周期函数,其最小正周期为 π ( Math.PI )。正切函数是 奇函数

在Canvas中常常需要和 三角函数 打交道,这也说明了数学是多么的重要,真后悔当初没有认真学。有关于Canvas中三角函数的运用,后面我们将会花很大的篇幅来介绍。

为什么在画圆要提到正切呢?那是因为我们后面在介绍 artTo() 时会涉及到正切相关的知识。下图可以说明,正切和圆以及圆弧之间的关系,看上去一点复杂,但不用急于求成,后面会慢慢懂的:

 

有了这些基础,我们就可以开始学习在Canvas中怎么画圆和圆弧了。这也是这篇文章真正的主题,如果你等不及了,那继续往后阅读。

arc()方法

先来看 arc() 方法怎么绘制圆和圆弧。Canvas中的 arc() 方法接受六个参数:

arc(x, y, radius, startRad, endRad, [anticlockwise]);

在Canvas画布上绘制以坐标点 (x,y) 为圆心、半么为 radius 的圆上的一段弧线。这段弧线的起始弧度是 startRad ,结束弧度是 endRad 。这里的弧度是以 x 轴正方向为基准、进行顺时针旋转的角度来计算。其中 anticlockwise 表示 arc() 绘制圆或圆弧是以顺时针还是逆时针方向开始绘制。如果其值为 true 表示逆时针,如果是 false 表示为顺时针。该参数是一个可选参数,如果没有显式设置,其值是 false (也是 anticlockwise 的默认值)。

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记得当初我们学数时,圆的周长与半径的关系是: C = πd 或 C = 2πr 。具备这些基础,我们就可以使用 arc() 绘制弧线或圆了。

绘制弧线

先来看 arc() 绘制弧线,根据上面介绍的内容,传对应参数给他:

function drawScreen () {
    // x,y => 圆心坐标点
    // r => 圆弧半径
    var arc = {
        x: myCanvas.width / 2, 
        y: myCanvas.height / 2,
        r: 100
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;

    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 10;
    ctx.strokeStyle = '#e3f';

    // startRad => getRads(-45)
    // endRad => getRads(45)
    // 顺时针旋转
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-45),getRads(45));
    ctx.stroke();


    // startRad => getRads(-135)
    // endRad => getRads(135)
    // 逆时针旋转
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = "#f36";
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-135),getRads(135),true);
    ctx.stroke();
    ctx.restore();

}

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当我们把上面的 stroke() 换 fill() ,上面的效果就不是一个弧线了:

Canvas学习:绘制圆和圆弧

另外在 stroke() 之前调用 closePath() ,那么弧线的起始点和终止点将会以一条直接连接在一起。比如上面的示例,加上之后的效果:

ctx.beginPath();
ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-45),getRads(45));
ctx.closePath();
ctx.stroke();

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arc() 绘制弧线是不是很简单,在实际中,借助一些条件循环,我们可以做一些有意思的效果。比如下面的这个示例,使用 arc() 绘制一个声波波率放大图:

function drawScreen () {

    var arc = {
        x: myCanvas.width / 2,
        y: myCanvas.height / 2,
        r: 10
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;

    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 1;
    ctx.strokeStyle = '#e3f';

    for(var i = 0;i < 10; i++){
        ctx.beginPath();
        ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r * i,getRads(-45),getRads(45));
        ctx.stroke();

        ctx.beginPath();
        ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r * i,getRads(-135),getRads(135),true);
        ctx.stroke();
    }
}

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特别注意:

  • 使用 arc() 绘制图形时,如果没有设置 moveTo() 那么会从圆弧的开始的点( startRad 处)作为起始点。如果设置了 moveTo() ,那么该点会连线到圆弧起始点。
  • 如果使用 stroke() 方法,那么会从开始连线到圆弧的起始位置。 如果是 fill 方法, 会自动闭合路径填充

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绘制制圆

使用 arc 绘制圆和绘制圆弧是一样的,只不过绘制圆的时候 startRad 和 endRad 是相同的。比如:

function drawScreen () {

    var arc = {
        x: myCanvas.width / 2,
        y: myCanvas.height / 2,
        r: 50
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;

    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 2;
    ctx.strokeStyle = '#fff';
    ctx.fillStyle = '#000';
    // 绘制一个边框圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x / 2, arc.y, arc.r, getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.stroke();

    // 绘制一个闭合边框圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r, getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.closePath();
    ctx.stroke();
    // 绘制一个填充圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x * 1.5, arc.y, arc.r,getRads(0), getRads(360), true);
    ctx.fill();
    //绘制一个带边框填充的圆
    ctx.beginPath();
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r / 2,getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.stroke();
    ctx.fill();
    ctx.restore();

}

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来做个小练习,使用 arc() 绘制一个太极图:

  • 绘制一个白色和黑色大半圆,拼成一个圆形
  • 绘制制一个小的白色半圆和另一个黑色小半圆
  • 绘制一个白色和黑色小圆点

这几个组合起来,就是我们想要的太极图:

function drawScreen () {

    var arc = {
        x: myCanvas.width / 2,
        y: myCanvas.height / 2,
        r: 100
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;

    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 1;

    // 绘制白色大圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#fff';
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r, getRads(-90), getRads(90), false);
    ctx.fill();

    // 绘制黑色大圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#000';
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r, getRads(-90), getRads(90), true);
    ctx.fill();

    // 绘制白色小圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#fff';
    ctx.arc(arc.x, arc.y - arc.r/2, arc.r / 2,getRads(-90), getRads(90), true);
    ctx.fill();

    // 绘制黑色小圆
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#000';
    ctx.arc(arc.x, arc.y + arc.r/2, arc.r / 2,getRads(-90), getRads(90), false);
    ctx.fill();

    // 绘制小黑点
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#000';
    ctx.arc(arc.x, arc.y - arc.r/2, arc.r / 10,getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.fill();

    // 绘制小白点
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = '#fff';
    ctx.arc(arc.x, arc.y + arc.r/2, arc.r / 10,getRads(0), getRads(360), false);
    ctx.fill();
  }

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绘制扇形

使用 arc() 除了可以绘制弧线和圆之外,还可以绘制扇形。绘制扇形关键点是通过 moveTo() 把起始点位置设置为圆心处,然后通过 closePath() 闭合路径。

function drawScreen () {

    var arc = {
        x: myCanvas.width / 2,
        y: myCanvas.height / 2,
        r: 100
    },
        w = myCanvas.width,
        h = myCanvas.height;

    ctx.save();
    ctx.lineWidth = 1;
    ctx.strokeStyle = '#e3f';
    ctx.fillStyle = '#e3f';

    ctx.beginPath();
    // 起始点设置在圆心处
    ctx.moveTo(arc.x, arc.y);
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-45),getRads(45));
    // 闭合路径
    ctx.closePath();
    ctx.stroke();

    ctx.beginPath();
    // 起始点设置在圆心处
    ctx.moveTo(arc.x, arc.y);
    ctx.arc(arc.x, arc.y, arc.r,getRads(-135),getRads(135),true);
    // 闭合路径
    ctx.closePath();
    ctx.fill();

    ctx.restore();
}

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利用这个原理,可以很轻松的实现一个饼图效果。

特别声明: arc() 方法中的起始弧度参数 startRad 和结束弧度参数 endRad 都是以弧度为单位,即使你填入一个数字,例如 360 ,仍然会被看作是 360 弧度。

arcTo()方法

前面学习了 arc() 方法如何绘制弧线、圆或扇形等。在Canvas中 CanvasRenderingContext2D 还提供了另一个方法 arcTo() 用来绘制弧线,但 arcTo() 绘制不出圆。为什么呢?接下来,咱们就来了解 arcTo() 的使用方法。

arcTo() 接受五个参数:

arcTo(x1, y1, x2, y2, radius)

arcTo() 方法将利用当前端点、端点一 (x1, y1) 和端点二 (x2, y2) 这三点所形成的夹角,然后绘制一段与夹角的两边相切并且半径为 radius 的圆上的弧线。弧线的起点就是当前端点所在边与圆的切点,弧线的终点就是商端点二 (x2,y2) 所在边与圆的切点,并且绘制的弧线是两个切点之间长度最短的那个圆弧。此外,如果当前端点不是弧线起点, arcTo() 方法还将添加一条当前端点到弧线起点的直线线段。

上面理解起来有点吃力。事实上, arcTo() 尽管是通过两点和半径绘制弧线或圆,但事实上是有三个点参与。也就是说,不管是否调用 arcTo() ,其实就有一个点已经存在 (x0,y0) 。这样就 (x0,y0) 和 (x1,y1) 构成一线,然后 (x1,y1) 和 (x2,y2) 构成一线,这两条线交叉点就是 (x1,y1) 。然后以 radius 绘制的圆弧或圆都会与这两条线相切。这也就是在文章开头提正切的基础。

Canvas学习:绘制圆和圆弧

或者换下图,你能更好的理解。

Canvas学习:绘制圆和圆弧

在 arcTo() 函数中,虽然参数只涉及到 P1 也就是参数中的 (x1,y1) 和 P2 也就是参数中的 (x2,y2) 两个点,实际上还有一个隐含的点,就是画布上的当前点( P0 )也就是前面所说的 (x0,y0) 。当 P0 , P1 , P2 不重叠也不在一条直线的时候,这 3 个点可以构成一个三角形。想象一下,从 P0 开始,向 P1 画一条线段,从 P1 开始到 P2 再画一条线段,这两条线段形成一个夹角,然后以 r 画一个圆,移动这个圆将这个圆与线段 P0P1 和线段 P1P2 相切(也可能切点是在 P0P1 或者 P1P2 的延长线上),然后保留朝向 P1 这个点的弧线,就是 arcTo() 在弧线这部分做的事情。

实际绘制是这样的:

  • moveTo() 给出 P0 点坐标
  • arcTo() 函数中的参数给出了 P1 点和 P2 点的坐标,以及圆形的半径 r
  • 计算以 r 为半径的圆和直线 P0P1 以及 P1P2 的切点,记为 S 点和 E 点,对应图上 Start 和 End 两个点
  • 从 P0 向 S 点画出一条线段
  • 从 S 点到 E 点,画出一段圆弧,半径为 r
  • 此时,画布当前点为 E 点
  • 然后从 E 点又画了一条线段到 P2 点,至此 arcTo 的工作已经完成,接下来你可以 stroke() 或者 fill() 了

来看一个绘制过程:

function drawScreen () {
    ctx.lineWidth = 1;
    ctx.strokeStyle = '#f36';
    ctx.fillStyle = 'red';

    // 一个起始点 ( 100, 50 ), 那么绘制其点. 颜色设置为红色
    ctx.fillRect( 100 - 4, 50 - 4, 8, 8 );
    // 两个参考点分别为 ( 100, 200 ) 和 ( 300, 200 ), 绘制出该点
    ctx.fillRect( 100 - 4, 200 - 4, 8, 8 );
    ctx.fillRect( 300 - 4, 200 - 4, 8, 8 );

    // 连接两个参考点
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = 'red';
    ctx.moveTo( 100, 200 );
    ctx.lineTo( 300, 200 );
    ctx.stroke();

    // 调用 arcTo 方法绘制圆弧. 记得将起始点设置为 ( 100, 50 )
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = 'blue';
    ctx.moveTo( 100, 50 );
    ctx.arcTo( 100, 200, 300, 200, 80);
    ctx.stroke();
}

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绘制带圆角矩形

在学习Canvas中绘制矩形一节时,我们提到通过 lineJoin 改变线段端点形状来模拟一个圆角矩形。通过这样的方法绘制带圆角的矩形,局限性还是非常大的。不过值得庆達的是, acrTo() 可以轻易实现两线内切圆弧,言外之意,使用 arcTo() 来绘制一个圆角矩形是非常的方便。

圆角矩形是由四段线条和四个 1/4 圆弧组成,拆解如下。

Canvas学习:绘制圆和圆弧

如此一来,我们就可以封装一个函数,用来绘制圆角矩形。根据上图,我们可以给这个函数,比如 drawRoundedRect() 函数传递对应的参数:

  • ctx :Canvas画布绘图环境
  • x,y :左上角
  • width :矩形宽度
  • height :矩形高度
  • r :矩形圆角半径
  • fill : 绘制一个填充的矩形
  • stroke :绘制一个边框矩形

开始封装函数:

function drawRoundedRect(ctx, x, y, width, height, fill, stroke) {
    ctx.save();
    ctx.beginPath();

    // draw top and top right corner
    ctx.moveTo(x + r, y);
    ctx.arcTo(x + width, y, x + width, y + r, r);

    // draw right side and bottom right corner
    ctx.arcTo(x + width, y + height, x + width - r, y + height, r);

    // draw bottom and bottom left corner
    ctx.arcTo(x, y + height, x, y + height - r, r);

    // draw left and top left corner
    ctx.arcTo(x, y, x + r, y, r);

    if (fill) {
        ctx.fill();
    }

    if (stroke) {
        ctx.stroke();
    }

    ctx.restore();
}

函数封装好之后,只需要调用,就可以轻易绘制出带圆角的矩形,而且简单易用:

function drawScreen () {

    ctx.strokeStyle = 'rgb(150,0,0)';
    ctx.fillStyle = 'rgb(0,150,0)';
    ctx.lineWidth = 7;
    drawRoundedRect(ctx, 30, 50, 200, 220, 20, true, true);

    ctx.strokeStyle = 'rgb(150,0,150)';
    ctx.fillStyle = 'rgba(0,0,150,0.6)';
    ctx.lineWidth = 7;
    drawRoundedRect(ctx, 300, 100, 250, 150, 8, true, false);
}

Canvas学习:绘制圆和圆弧

是不是很简单。可以来个复杂点的练习。比如,当初火热的2048游戏。

Canvas学习:绘制圆和圆弧

使用 drawRoundedRect() 函数就可以很轻易的绘制出来,有兴趣的同学不仿一试。

绘制月亮

这节主要学习了 arc() 和 arcTo() 两个方法,学习了怎么使用这两个方法在Canvas中如何绘制圆弧或圆。那么我们来看一个小示例,结合两者来绘制一月亮。

用一张图来阐述绘制月亮的原理:

Canvas学习:绘制圆和圆弧

此图已经说明一切,直接上代码吧:

function drawMoon(cxt, d, x, y, R, rot){
    cxt.save();
    cxt.translate(x, y);
    cxt.scale(R, R);
    cxt.rotate(Math.PI / 180 * rot);
    pathMoon(cxt, d);
    cxt.fillStyle = 'hsl' + randomColor();
    cxt.fill();
    cxt.restore();
 }
 //画路径
 function pathMoon(cxt, d){
    //D表示控制点的横坐标;
    cxt.beginPath();
    cxt.arc(0, 0, 1, Math.PI * 0.5, Math.PI * 1.5, true);
    cxt.moveTo(0, -1);
    cxt.arcTo(d, 0, 0, 1, dis(0, -1, d, 0) * 1 / d);
    cxt.closePath();
 }

 function dis(x1, y1, x2, y2){
    return Math.sqrt((x1 - x2) * (x1 - x2) + (y1 - y2) * (y1 - y2));
 }

 function drawScreen () {
    drawMoon(ctx,2,myCanvas.width / 2,myCanvas.height / 2,100,15);
 }

总结

在Canvas中, CanvasRenderingContext2D 对象提供了两个方法( arc() 和 arcTo() )来绘制圆和圆弧。其中 arc() 即可绘制弧线,圆,也可以绘制扇形,但 arcTo() 仅能绘制出弧线。但 arcTo() 可以更轻易的帮助我们实现带圆角的矩形。到目前为止,我们学习了在Canvas中绘制线段、矩形、弧线和圆等,但基本图形不仅仅这些,接下来我们将学习如何在Canvas中绘制箭头。感兴趣的同学,欢迎持续关注相关更新。

Canvas学习:绘制圆和圆弧

大漠

常用昵称“大漠”,W3CPlus创始人,目前就职于手淘。对HTML5、CSS3和Sass等前端脚本语言有非常深入的认识和丰富的实践经验,尤其专注对CSS3的研究,是国内最早研究和使用CSS3技术的一批人。CSS3、Sass和Drupal中国布道者。2014年出版《 图解CSS3:核心技术与案例实战 》。

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