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gitbook/跟月影学可视化/docs/252705.md

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课程提交
2 years ago
# 02 | 指令式绘图系统：如何用Canvas绘制层次关系图？
你好，我是月影。
Canvas是可视化领域里非常重要且常用的图形系统，在可视化项目中，它能够帮助我们将数据内容以几何图形的形式，非常方便地呈现出来。
今天，我们就在上一节课的基础上对Canvas进行稍微深入一些的介绍，来学习一下Canvas绘制基本几何图形的方法。
我主要会讲解如何用它的2D上下文来完成绘图，不过，我不会去讲和它有关的所有Api，重点只是希望通过调用一些常用的API能给你讲清楚，Canvas2D能做什么、要怎么使用，以及它的局限性是什么。最后，我还会带你用Canvas绘制一个表示省市关系的层次关系图（Hierarchy Graph）。希望通过这个可视化的例子，能帮你实践并掌握Canvas的用法。
在我们后面的课程中，基本上70~80%的图都可以用Canvas来绘制，所以其重要性不言而喻。话不多说，让我们正式开始今天的内容吧！
## 如何用Canvas绘制几何图形？
首先，我们通过一个绘制红色正方形的简单例子，来讲一讲Canvas的基本用法。
### 1\. Canvas元素和2D上下文
对浏览器来说，Canvas也是HTML元素，我们可以用canvas标签将它插入到HTML内容中。比如，我们可以在body里插入一个宽、高分别为512的canvas元素。
```
<body>
<canvas width="512" height="512"></canvas>
</body>
```
这里有一点需要特别注意，Canvas元素上的width和height属性不等同于Canvas元素的CSS样式的属性。这是因为，CSS属性中的宽高影响Canvas在页面上呈现的大小，而HTML属性中的宽高则决定了Canvas的坐标系。为了区分它们，我们称Canvas的HTML属性宽高为**画布宽高**，CSS样式宽高为**样式宽高**。
在实际绘制的时候，如果我们不设置Canvas元素的样式，那么Canvas元素的画布宽高就会等于它的样式宽高的像素值，也就是512px。
而如果这个时候，我们通过CSS设置其他的值指定了它的样式宽高。比如说，我们将样式宽高设置成256px，那么它实际的画布宽高就是样式宽高的两倍了。代码和效果如下：
```
canvas {
width: 256px;
height: 256px;
}
```
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/01/f1/01b8b4f686e776b379a2d8141ac13ff1.jpg "将canvas的样式宽高设为256px，画布宽高设为512px")
因为画布宽高决定了可视区域的坐标范围，所以Canvas将画布宽高和样式宽高分开的做法，能更方便地适配不同的显示设备。
比如，我们要在画布宽高为500`*`500的Canvas画布上，绘制一个居中显示的100`*`100宽高的正方形。我们只要将它的坐标设置在 x = 200, y = 200 处即可。这样，不论这个Canvas以多大的尺寸显示在各种设备上，我们的代码都不需要修改。否则，如果Canvas的坐标范围（画布宽高）跟着样式宽高变化，那么当屏幕尺寸改变的时候，我们就要重新计算需要绘制的图形的所有坐标，这对于我们来说将会是一场“灾难”。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/5e/45/5e5d78e4fd8c42948b6ae68e79e69e45.jpg "在画布宽高为500*500的Canvas上居中绘制一个100*100的正方形")
### 2\. Canvas 的坐标系
好了，Canvas画布已经设置好了，接下来我们来了解一下Canvas的坐标系。
Canvas的坐标系和浏览器窗口的坐标系类似，它们都默认左上角为坐标原点，x轴水平向右，y轴垂直向下。那在我们设置好的画布宽高为512`*`512的Canvas画布中，它的左上角坐标值为（0,0），右下角坐标值为（512,512） 。这意味着，坐标（0,0）到（512,512）之间的所有图形，都会被浏览器渲染到画布上。
[![](https://static001.geekbang.org/resource/image/6c/f1/6cb9eca4e9c8c64a5e07694f7f6428f1.jpg "canvas坐标系")](https://www.jianshu.com/p/ef8244cb7ec4)
注意，上图中这个坐标系的y轴向下，意味着这个坐标系和笛卡尔坐标系不同，它们的y轴是相反的。那在实际应用的时候，如果我们想绘制一个向右上平抛小球的动画，它的抛物线轨迹，在Canvas上绘制出来的方向就是向下凹的。
[![](https://static001.geekbang.org/resource/image/f0/2e/f025b55279ea553387a058ab9184012e.jpeg "Canvas坐标系")](https://www.jianshu.com/p/ef8244cb7ec4)
另外，如果我们再考虑旋转或者三维运动，这个坐标系就会变成“左手系”。而左手系的平面法向量的方向和旋转方向，和我们熟悉的右手系相反。如果你现在还不能完全理解它们的区别，那也没关系，在实际应用的时候，我会再讲的，这里你只需要有一个大体印象就可以了。
[![](https://static001.geekbang.org/resource/image/2c/0d/2c01d99b4a3c9a46ba446cc208a6560d.jpeg "左手系和右手系")](https://zhuanlan.zhihu.com/p/64707259)
### 3\. 利用 Canvas 绘制几何图形
有了坐标系，我们就可以将几何图形绘制到Canvas上了。具体的步骤可以分为两步，分别是获取Canvas上下文和利用Canvas 上下文绘制图形。下面，我们一一来看。
**第一步，获取Canvas上下文。**
那在JavaScript中，我们要获取Canvas上下文也需要两个步骤。首先是获取Canvas元素。因为Canvas元素就是HTML文档中的canvas标签，所以，我们可以通过DOM API获取它，代码如下：
```
const canvas = document.querySelector('canvas');
```
获取了canvas元素后，我们就可以通过getContext方法拿到它的上下文对象。具体的操作就是，我们调用canvas.getContext传入参数2d。
```
const context = canvas.getContext('2d');
```
有了2d上下文，我们就可以开始绘制图形了。
**第二步，用 Canvas 上下文绘制图形。**
我们拿到的context对象上会有许多API，它们大体上可以分为两类：一类是设置状态的API，可以设置或改变当前的绘图状态，比如，改变要绘制图形的颜色、线宽、坐标变换等等；另一类是绘制指令API，用来绘制不同形状的几何图形。
如何使用这些API呢？我来举个例子，假设我们要在画布的中心位置绘制一个100`*`100的红色正方形。那我们该怎么做呢？
首先，我们要通过计算得到Canvas画布的中心点。前面我们已经说过，Canvas坐标系的左上角坐标是(0,0)，右下角是Canvas的画布坐标，即 （canvas.width,canvas.height），所以画布的中心点坐标是（0.5 `*`canvas.width, 0.5 `*` canvas.height）。
如果我们要在中心点绘制一个100 `*` 100的正方形，那对应的 Canvas指令是：
```
context.rect(0.5 * canvas.width, 0.5 * canvas.height, 100, 100);
```
其中，context.rect是绘制矩形的Canvas指令，它的四个参数分别表示要绘制的矩形的x、y坐标和宽高。在这里我们要绘制的正方形宽高都是100，所以后两个参数是100和100。
那在实际绘制之前，我们还有一些工作要做。我要将正方形填充成红色，这一步通过调用context.fillStyle指令就可以完成。然后，我们要调用一个beginPath的指令，告诉Canvas我们现在绘制的路径。接着，才是调用 rect 指令完成绘图。最后，我们还要调用 fill 指令，将绘制的内容真正输出到画布中。这样我们就完整了绘制，绘制的效果和代码如下：
```
const rectSize = [100, 100];
context.fillStyle = 'red';
context.beginPath();
context.rect(0.5 * canvas.width, 0.5 * canvas.height, ...rectSize);
context.fill();
```
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1c/44/1c13a4yyd5f8284edb29038178eb9144.jpeg)
但是，看到上面这张图，我们发现了一个问题：正方形并没有居于画布的正中心。这是为什么呢？
你可以回想一下我们刚才的操作，在绘制正方形的时候，我们将rect指令的参数x、y设为画布宽高的一半。而rect指令的x、y的值表示的是，我们要绘制出的矩形的左上角坐标而不是中心点坐标，所以绘制出来的正方形自然就不在正中心了。
那我们该如何将正方形的中心点放在画布的中心呢？这就需要我们移动一下图形中心的坐标了。具体的实现方法有两种。
**第一种做法**是，我们可以让rect指令的x、y参数，等于画布宽高的一半分别减去矩形自身宽高的一半。这样，我们就把正方形的中心点真正地移动到画布中心了。代码如下所示：
```
context.rect(0.5 * (canvas.width - rectSize[0]), 0.5 * (canvas.height - rectSize[1]), ...rectSize);
```
**第二种做法**是，我们可以先给画布设置一个平移变换（Translate），然后再进行绘制。代码如下所示：
```
context.translate(-0.5 * rectSize[0], -0.5 * rectSize[1]);
```
在上面的代码中，我们给画布设置了一个平移，平移距离为矩形宽高的一半，这样它的中心点就是画布的中心了。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/3a/56/3ab2306311ba2382301ae9b654e62856.jpeg)
既然这两种方法都能将图形绘制到画布的中心，那我们该怎么选择呢？其实，我们可以从这两种方式各自的优缺点入手，下面我就具体来说一说。
第一种方式很简单，它直接改变了我们要绘制的图形顶点的坐标位置，但如果我们绘制的不是矩形，而是很多顶点的多边形，我们就需要在绘图前重新计算出每个顶点的位置，这会非常麻烦。
第二种方式是对Canvas画布的整体做一个平移操作，这样我们只需要获取中心点与左上角的偏移，然后对画布设置translate变换就可以了，不需要再去改变图形的顶点位置。不过，这样一来我们就改变了画布的状态。如果后续还有其他的图形需要绘制，我们一定要记得把画布状态给恢复回来。好在，这也不会影响到我们已经画好的图形。
那怎么把画布状态恢复回来呢？恢复画布状态的方式有两种，**第一种是反向平移。**反向平移的原理也很简单，你可以直接看下面的代码。
```
// 平移
context.translate(-0.5 * rectSize[0], -0.5 * rectSize[1]);
... 执行绘制
// 恢复
context.translate(0.5 * rectSize[0], 0.5 * rectSize[1]);
```
除了使用反向平移的恢复方式以外，Canvas上下文还提供了**save和restore**方法，可以暂存和恢复画布某个时刻的状态。其中，save指令不仅可以保存当前的translate状态，还可以保存其他的信息，比如，fillStyle等颜色信息。 而restore指令则可以将状态指令恢复成save指令前的设置。操作代码如下：
```
context.save(); // 暂存状态
// 平移
context.translate(-0.5 * rectSize[0], -0.5 * rectSize[1]);
... 执行绘制
context.restore(); // 恢复状态
```
好了，把一个简单矩形绘制到画布中心的完整方法，我们已经说完了。那我们再来回顾一下利用Canvas绘制矩形的过程。我把这个过程总结为了5个步骤：
1. 获取Canvas对象，通过getContext(‘2d’)得到2D上下文；
2. 设置绘图状态，比如填充颜色fillStyle，平移变换translate等等；
3. 调用 beginPath 指令开始绘制图形；
4. 调用绘图指令，比如rect，表示绘制矩形；
5. 调用fill指令，将绘制内容真正输出到画布上。
除此之外，Canvas上下文还提供了更多丰富的API，可以用来绘制直线、多边形、弧线、圆、椭圆、扇形和贝塞尔曲线等等，这里我们不一一介绍了。在之后的课程中，我们会详细讲解如何利用这些API来绘制复杂的几何图形。如果你还想了解更多关于Canvas的API相关的知识，还可以去阅读[MDN文档](https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Canvas_API/Tutorial)。
## 如何用Canvas 绘制层次关系图？
知道了Canvas的基本用法之后，接下来，我们就可以利用Canvas给一组城市数据绘制一个层次关系图了。也就是在一组给出的层次结构数据中，体现出同属于一个省的城市。
在操作之前呢，我们先引入一个概念层次结构数据 （Hierarchy Data），它是可视化领域的专业术语，用来表示能够体现层次结构的信息，例如城市与省与国家。一般来说，层次结构数据用层次关系图表来呈现。
其中，城市数据是一组JSON格式的数据，如下所示。
```
{
"name":"中国",
"children":
[
{
"name":"浙江" ,
"children":
[
{"name":"杭州" },
{"name":"宁波" },
{"name":"温州" },
{"name":"绍兴" }
]
},
{
"name":"广西" ,
"children":
[
{"name":"桂林"},
{"name":"南宁"},
...
}
]
}
```
我们要绘制的层次关系图效果如下：
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/07/bf/072dbcd9607dd7feafa47e34f97784bf.jpeg)
知道了要求之后，我们应该怎么做呢？首先，我们要从数据源获取JSON数据。
```
const dataSource = 'https://s5.ssl.qhres.com/static/b0695e2dd30daa64.json';
(async function () {
const data = await (await fetch(dataSource)).json();
}());
```
这份JSON数据中只有“城市>省份>中国”这样的层级数据，我们要将它与绘图指令建立联系。建立联系指的是，我们要把数据的层级、位置和要绘制的圆的半径、位置一一对应起来。
换句话说，我们要把数据转换成图形信息，这个步骤需要数学计算。不过，我们可以直接使用d3-hierarchy[d3-hierarchy](https://github.com/d3/d3-hierarchy)这个工具库转换数据。
```
(async function () {
const data = await (await fetch(dataSource)).json();
const regions = d3.hierarchy(data)
.sum(d => 1)
.sort((a, b) => b.value - a.value);
const pack = d3.pack()
.size([1600, 1600])
.padding(3);
const root = pack(regions);
}());
```
数学计算的内容，我会在数据篇中详细来讲。这里，我们就先不介绍d3的具体转换实现了，你只需要知道，我们可以用d3.hierarchy(data).sum(…).sort(…)将省份数据按照包含城市的数量，从多到少排序就可以了。
假设，我们要将它们展现在一个画布宽高为1600 \* 1600的Canvas中，那我们可以通过d3.pack()将数据映射为一组1600宽高范围内的圆形。不过，为了展示得美观一些，在每个相邻的圆之间我们还保留3个像素的padding（按照经验，我们一般是保留3个像素padding的，但这也要根据实际的设计需求来更改）。
这样，我们就获得了包含几何图形信息的数据对象。此时它的内部结构如下所示：
```
{
data: {name: '中国', children: [...]},
children: [
{
data: {name: '江苏', children: [...]},
value: 7,
r: 186.00172579386546,
x: 586.5048250548921,
y: 748.2441892254667,
}
...
],
value: 69,
x: 800,
y: 800,
r: 800,
}
```
我们需要的信息是数据中的x、y、r，这些数值是前面调用d3.hierarchy帮我们算出来的。接下来我们只需要用Canvas将它们绘制出来就可以了。具体绘制过程比较简单，**只需要遍历数据并且根据数据内容绘制圆弧**，我也把它总结成了两步。
第一步：我们在当前数据节点绘制一个圆，圆可以使用arc指令来绘制。arc方法的五个参数分别是圆心的x、y坐标、半径r、起始角度和结束角度，前三个参数就是数据中的x、y和r。因为我们要绘制的是整圆，所以后面的两个参数中起始角是0，结束角是2π。
第二步，绘制图成后，如果这个数据节点有下一级数据，我们遍历它的下一级数据，然后递归地对这些数据调用绘图过程。如果没有下一级数据，说明当前数据为城市数据，那么我们就直接给出城市的名字，这一步可以通过fillText指令来完成。具体的代码如下所示：
```
const TAU = 2 * Math.PI;
function draw(ctx, node, {fillStyle = 'rgba(0, 0, 0, 0.2)', textColor = 'white'} = {}) {
const children = node.children;
const {x, y, r} = node;
ctx.fillStyle = fillStyle;
ctx.beginPath();
ctx.arc(x, y, r, 0, TAU);
ctx.fill();
if(children) {
for(let i = 0; i < children.length; i++) {
draw(ctx, children[i]);
}
} else {
const name = node.data.name;
ctx.fillStyle = textColor;
ctx.font = '1.5rem Arial';
ctx.textAlign = 'center';
ctx.fillText(name, x, y);
}
}
draw(context, root);
```
这样，我们就用Canvas绘图简单地实现了一个层次关系图，它的代码不多也不复杂，你可以很容易理解，所以我就不做过多的解释啦。
## Canvas有哪些优缺点？
通过上面的例子，相信你已经熟悉了Canvas的基础用法。但是，浏览器是一个复杂的图形环境，要想灵活使用Canvas，我们还需要从宏观层面来知道，它能做什么，不能做什么。
简单来说，就是要了解Canvas 的优缺点。
首先，Canvas是一个非常简单易用的图形系统。结合刚才的例子你也能感受到，Canvas通过一组简单的绘图指令，就能够方便快捷地绘制出各种复杂的几何图形。
另外，Canvas渲染起来相当高效。即使是绘制大量轮廓非常复杂的几何图形，Canvas也只需要调用一组简单的绘图指令就能高性能地完成渲染。这个呀，其实和Canvas更偏向于渲染层，能够提供底层的图形渲染API有关。那在实际实现可视化业务的时候，Canvas出色的渲染能力正是它的优势所在。
不过Canvas也有缺点，因为Canvas在HTML层面上是一个独立的画布元素，所以所有的绘制内容都是在内部通过绘图指令来完成的，绘制出的图形对于浏览器来说，只是Canvas中的一个个像素点，我们很难直接抽取其中的图形对象进行操作。
比如说，在HTML或SVG中绘制一系列图形的时候，我们可以一一获取这些图形的元素对象，然后给它们绑定用户事件。但同样的操作在Canvas中没有可以实现的简单方法（但是我们仍然可以和Canvas图形交互，在后续课程中我们会有专门讨论）。下一节课中，我们会详细讲解SVG图形系统，到时你就会更加明白它们的差异具体是什么了。
## 要点总结
好了，Canvas的使用讲完了，我们来总结一下你要掌握的重点内容。
首先，我们讲了利用Canvas绘制几何图形，这个过程很简单，不过依然有3点需要我们注意：
1. 在HTML中建立画布时，我们要分别设置画布宽高和样式宽高；
2. 在建立坐标系时，我们要注意canvas的坐标系和笛卡尔坐标系在y轴上是相反的；
3. 如果要把图形绘制在画布中心，我们不能直接让x、y的坐标等于画布中心坐标，而是要让图形中心和画布中心的位置重叠。这个操作，我们可以通过计算顶点坐标或者 平移变换来实现。
接着，我们讲了利用Canvas展示数据的层级关系。在这个过程中，我们应当先处理数据，将数据内容与绘图指令建立映射关系，然后遍历数据，通过映射关系将代表数据内容的参数传给绘图指令，最后将图形绘制到Canvas上。
另外，我们还讲了Canvas的优缺点。在实际实现可视化业务的时候，Canvas的简单易操作和高效的渲染能力是它的优势，但是它的缺点是不能方便地控制它内部的图形元素。
最后，我还有一点想要补充一下。我们今天绘制的图形都是静态的，如果要使用Canvas绘制动态的图形也很简单，我们可以通过clearRect指令，将之前的图形擦除，再把新的图形绘制上去即可。在后续课程中，我们有专门的章节来介绍动画。
## 小试牛刀
最后呢，我为你准备了两道课后题，试着动手操作一下吧！
1. 这节课我们介绍了用Canvas绘制矩形和圆弧，实际上Canvas还有更多的绘图指令来绘制不同类型的几何图形。你可以试着修改一下前面显示正方形的例子，在画布的中心位置显示一个三角形、椭圆或五角星。
2. Canvas的缺点是不能方便地控制它内部的图形元素，但这不代表它完全不能控制。你可以尝试给我们前面绘制的层次关系图增加鼠标的交互，让鼠标指针在移动到某个城市所属的圆的时候，这个圆显示不同的颜色（提示：你可以获取鼠标坐标，然后用这个坐标到圆心的距离来判断）。
欢迎在留言区和我讨论，分享你的答案和思考，也欢迎你把这节课分享给你的朋友，我们下节课见！
* * *
## 源码
[用Canvas绘制层次关系图的完整代码.](https://github.com/akira-cn/graphics/tree/master/canvas/hierarchy)
## 推荐阅读
\[1\] [MDN官方文档.](https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/API/Canvas_API/Tutorial)