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# 26 | 如何绘制带宽度的曲线？
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你好，我是月影。
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在可视化应用中，我们经常需要绘制一些带有特定宽度的曲线。比如说，在地理信息可视化中，我们会使用曲线来描绘路径，而在3D地球可视化中，我们会使用曲线来描述飞线、轮廓线等等。
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在Canvas2D中，要绘制带宽度的曲线非常简单，我们直接设置上下文对象的lineWidth属性就行了。但在WebGL中，绘制带宽度的曲线是一个难点，很多开发者都在这一步被难住过。
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那今天，我就来说说怎么用Canvas2D和WebGL分绘制曲线。我要特别强调一下，我们讲的曲线指广义的曲线，线段、折线和平滑曲线都包含在内。
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## 如何用Canvas2D绘制带宽度的曲线？
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刚才我说了，用Canvas2D绘制曲线非常简单。这是为什么呢？因为Canvas2D提供了相应的API，能够绘制出不同宽度、具有特定**连线方式**和**线帽形状**的曲线。
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这句话怎么理解呢？我们从两个关键词，“连线方式（lineJoin）”和“线帽形状（lineCap）”入手理解。
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我们知道，曲线是由线段连接而成的，两个线段中间转折的部分，就是lineJoin。如果线宽只有一个像素，那么连接处没有什么不同的形式，就是直接连接。但如果线宽超过一个像素，那么连接处的缺口，就会有不同的填充方式，而这些不同的填充方式，就对应了不同的lineJoin。
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比如说，你可以看我给出的这张图，上面就显示了四种不同的lineJoin。其中，miter是尖角，round是圆角，bevel是斜角，none是不添加lineJoin。很好理解，我就不多说了
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[](https://mapserver.org/mapfile/symbology/construction.html)
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说完了lineJoin，那什么是lineCap呢？lineCap就是指曲线头尾部的形状，它有三种类型。第一种是square，方形线帽，它会在线段的头尾端延长线宽的一半。第二种round也叫圆弧线帽，它会在头尾端延长一个半圆。第三种是butt，就是不添加线帽。
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[](http://falcon80.com/HTMLCanvas/Attributes/lineCap.html)
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理解了这两个关键词之后，我们接着尝试一下，怎么在Canvas的上下文中，通过设置lineJoin和lineCap属性，来实现不同的曲线效果。
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首先，我们要实现一个drawPolyline函数。这个函数非常简单，就是设置lineWidth、lingJoin、lineCap，然后根据points数据的内容设置绘图指令执行绘制。
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```
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function drawPolyline(context, points, {lineWidth = 1, lineJoin = 'miter', lineCap = 'butt'} = {}) {
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context.lineWidth = lineWidth;
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context.lineJoin = lineJoin;
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context.lineCap = lineCap;
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context.beginPath();
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context.moveTo(...points[0]);
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for(let i = 1; i < points.length; i++) {
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context.lineTo(...points[i]);
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}
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context.stroke();
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}
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```
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在设置lingJoin、lineCap时候，我们要注意，Canvas2D的lineJoin只支持miter、bevel和round，不支持none。lineCap支持butt、square和round。
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接着，我们就可以执行JavaScript代码绘制曲线了。比如，我们绘制两条线，一条宽度为10个像素的红线，另一条宽度为1个像素的蓝线，具体的代码：
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```
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const canvas = document.querySelector('canvas');
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const ctx = canvas.getContext('2d');
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const points = [
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[100, 100],
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[100, 200],
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[200, 150],
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[300, 200],
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[300, 100],
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];
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ctx.strokeStyle = 'red';
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drawPolyline(ctx, points, {lineWidth: 10});
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ctx.strokeStyle = 'blue';
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drawPolyline(ctx, points);
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```
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因为我们把连接设置成miter、线帽设置成了butt，所以我们绘制出来的曲线，是尖角并且不带线帽的。
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其实，我们还可以修改lineJoins和lineCap参数。比如，我们将线帽设为圆的，连接设为斜角。除此之外，你还可以尝试不同的组合，我就不再举例了。
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```
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ctx.strokeStyle = 'red';
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drawPolyline(ctx, points, {lineWidth: 10, lineCap: 'round', lineJoin: 'bevel'});
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```
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除了lineJoin和lineCap外，我们还可以设置Canvas2D上下文的miterLimit属性，来改变lineJoin等于miter时的连线形式，miterLimit属性等于miter和线宽的最大比值。当我们把lineJoin设置成miter的时候，miterLimit属性就会限制尖角的最大值。
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那具体会产生什么效果呢？我们可以先修改drawPolyline代码添加miterLimit。代码如下：
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```
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function drawPolyline(context, points, {lineWidth = 1, lineJoin = 'miter', lineCap = 'butt', miterLimit = 10} = {}) {
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context.lineWidth = lineWidth;
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context.lineJoin = lineJoin;
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context.lineCap = lineCap;
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context.miterLimit = miterLimit;
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context.beginPath();
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context.moveTo(...points[0]);
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for(let i = 1; i < points.length; i++) {
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context.lineTo(...points[i]);
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}
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context.stroke();
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}
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```
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然后，我们修改参数，把miterLimit:设置为1.5：
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```
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ctx.strokeStyle = 'red';
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drawPolyline(ctx, points, {lineWidth: 10, lineCap: 'round', lineJoin: 'miter', miterLimit: 1.5});
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```
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你会发现，这样渲染出来的图形，它两侧的转角由于超过了miterLimit限制，所以表现为斜角，而中间的转角因为没有超过miterLimit限制，所以是尖角。
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总的来说，Canvas2D绘制曲线的方法很简单，只要我们调用对应的API就可以了。但用WebGL来绘制同样的曲线会非常麻烦。在详细讲解之前，我希望你先记住lineJoin、lineCap以及miterLimit这些属性，在WebGL中我们需要自己去实现它们。接下来，我们一起来看一下WebGL中是怎么做的。
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## 如何用WebGL绘制带宽度的曲线
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我们先从绘制宽度为1的曲线开始。因为WebGL本身就支持线段类的图元，所以我们直接用图元就能绘制出宽度为1的曲线。
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下面，我结合代码来说说具体的绘制过程。与Canvas2D类似，我们直接设置position顶点坐标，然后设置mode为gl.LINE\_STRIP。这里的LINE\_STRIP是一种图元类型，表示以首尾连接的线段方式绘制。这样，我们就可以得到宽度为1的折线了。具体的代码和效果如下所示：
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```
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import {Renderer, Program, Geometry, Transform, Mesh} from '../common/lib/ogl/index.mjs';
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const vertex = `
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attribute vec2 position;
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void main() {
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gl_PointSize = 10.0;
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float scale = 1.0 / 256.0;
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mat3 projectionMatrix = mat3(
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scale, 0, 0,
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0, -scale, 0,
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-1, 1, 1
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);
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vec3 pos = projectionMatrix * vec3(position, 1);
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gl_Position = vec4(pos.xy, 0, 1);
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}
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`;
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const fragment = `
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precision highp float;
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void main() {
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gl_FragColor = vec4(1, 0, 0, 1);
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}
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`;
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const canvas = document.querySelector('canvas');
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const renderer = new Renderer({
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canvas,
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width: 512,
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height: 512,
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});
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const gl = renderer.gl;
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gl.clearColor(1, 1, 1, 1);
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const program = new Program(gl, {
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vertex,
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fragment,
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});
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const geometry = new Geometry(gl, {
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position: {size: 2,
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data: new Float32Array(
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[
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100, 100,
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100, 200,
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|
200, 150,
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300, 200,
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|
|
300, 100,
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|
],
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)},
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});
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const scene = new Transform();
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const polyline = new Mesh(gl, {geometry, program, mode: gl.LINE_STRIP});
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polyline.setParent(scene);
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renderer.render({scene});
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```
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你可能会问，我们不能直接修改gl\_PointSize，来给折线设置宽度吗？很遗憾，这是不行的。因为gl\_PointSize只能影响gl.POINTS图元的显示，并不能对线段图元产生影响。
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那我们该怎么让线的宽度大于1个像素呢？
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## 通过挤压(extrude)曲线绘制有宽度的曲线
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我们可以用一种挤压（Extrude）曲线的技术，通过将曲线的顶点沿法线方向向两侧移出，让1个像素的曲线变宽。
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那挤压曲线要怎么做呢？我们先看一张示意图：
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如上图所示，黑色折线是原始的1个像素宽度的折线，蓝色虚线组成的是我们最终要生成的带宽度曲线，红色虚线是顶点移动的方向。因为折线两个端点的挤压只和一条线段的方向有关，而转角处顶点的挤压和相邻两条线段的方向都有关，所以顶点移动的方向，我们要分两种情况讨论。
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首先，是折线的端点。假设线段的向量为（x, y），因为它移动方向和线段方向垂直，所以我们只要沿法线方向移动它就可以了。根据垂直向量的点积为0，我们很容易得出顶点的两个移动方向为（-y, x）和（y, -x）。如下图所示：
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端点挤压方向确定了，接下来要确定转角的挤压方向了，我们还是看示意图。
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如上图，我们假设有折线abc，b是转角。我们延长ab，就能得到一个单位向量v1，反向延长bc，可以得到另一个单位向量v2，那么挤压方向就是向量v1+v2的方向，以及相反的-(v1+v2)的方向。
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现在我们得到了挤压方向，接下来就需要确定挤压向量的长度。
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首先是折线端点的挤压长度，它等于lineWidth的一半。而转角的挤压长度就比较复杂了，我们需要再计算一下。
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绿色这条辅助线应该等于lineWidth的一半，而它又恰好是v1+v2在绿色这条向量方向的投影，所以，我们可以先用向量点积求出红色虚线和绿色虚线夹角的余弦值，然后用lineWidth的一半除以这个值，得到的就是挤压向量的长度了。
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具体用JavaScript实现的代码如下所示：
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```
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function extrudePolyline(gl, points, {thickness = 10} = {}) {
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const halfThick = 0.5 * thickness;
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const innerSide = [];
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const outerSide = [];
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// 构建挤压顶点
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for(let i = 1; i < points.length - 1; i++) {
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const v1 = (new Vec2()).sub(points[i], points[i - 1]).normalize();
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const v2 = (new Vec2()).sub(points[i], points[i + 1]).normalize();
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const v = (new Vec2()).add(v1, v2).normalize(); // 得到挤压方向
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const norm = new Vec2(-v1.y, v1.x); // 法线方向
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const cos = norm.dot(v);
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const len = halfThick / cos;
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if(i === 1) { // 起始点
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const v0 = new Vec2(...norm).scale(halfThick);
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outerSide.push((new Vec2()).add(points[0], v0));
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innerSide.push((new Vec2()).sub(points[0], v0));
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}
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v.scale(len);
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outerSide.push((new Vec2()).add(points[i], v));
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innerSide.push((new Vec2()).sub(points[i], v));
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if(i === points.length - 2) { // 结束点
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const norm2 = new Vec2(v2.y, -v2.x);
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const v0 = new Vec2(...norm2).scale(halfThick);
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outerSide.push((new Vec2()).add(points[points.length - 1], v0));
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innerSide.push((new Vec2()).sub(points[points.length - 1], v0));
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}
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}
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...
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|
}
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```
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在这段代码中，v1、v2是线段的延长线，v是挤压方向，我们计算法线方向与挤压方向的余弦值，就能算出挤压长度了。你还要注意，我们要把起始点和结束点这两个端点的挤压也给添加进去，也就是两个if条件中的处理逻辑。
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这样一来，我们就把挤压之后的折线顶点坐标给计算出来了。向内和向外挤压的点现在分别保存在innerSide和outerSide数组中。
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接下来，我们就要构建对应的Geometry对象，所以我们继续添加extrudePolyline函数的后半部分。
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```
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function extrudePolyline(gl, points, {thickness = 10} = {})
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...
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const count = innerSide.length * 4 - 4;
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const position = new Float32Array(count * 2);
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const index = new Uint16Array(6 * count / 4);
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// 创建 geometry 对象
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for(let i = 0; i < innerSide.length - 1; i++) {
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const a = innerSide[i],
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b = outerSide[i],
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c = innerSide[i + 1],
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d = outerSide[i + 1];
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const offset = i * 4;
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index.set([offset, offset + 1, offset + 2, offset + 2, offset + 1, offset + 3], i * 6);
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position.set([...a, ...b, ...c, ...d], i * 8);
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}
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return new Geometry(gl, {
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position: {size: 2, data: position},
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index: {data: index},
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});
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}
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```
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这一步骤就非常简单了，我们根据innerSide和outerSide中的顶点来构建三角网格化的几何体顶点数据，最终返回Geometry对象。
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最后，我们只要调用extrudePolyline，传入折线顶点和宽度，然后用返回的Geometry对象来构建三角网格对象，将它渲染出来就可以了。
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```
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const geometry = extrudePolyline(gl, points, {lineWidth: 10});
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const scene = new Transform();
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const polyline = new Mesh(gl, {geometry, program});
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polyline.setParent(scene);
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renderer.render({scene});
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```
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我们最终渲染出来的效果如下图：
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这样，我们就在WebGL中实现了，与Canvas2D一样带宽度的曲线。
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当然，这里我们只实现了最基础的带宽度曲线，它对应于Canvas2D中的lineJoin为miter，lineCap为butt的曲线。不过，想要实现lineJoins为bevel或round，lineCap为square或round的曲线，也不会太困难。我们可以基于extrudePolyline函数，对它进行扩展，计算出相应属性下对应的顶点就行了。因为基本原理是一样的，我就不详细说了，我把扩展的任务留给你作为课后练习。
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## 要点总结
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这节课，我们讲了绘制带宽度曲线的方法。
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首先，在Canvas2D中，绘制这样的曲线比较简单，我们直接通过API设置lineWidth即可。而且，Canvas2D还支持不同的lineJoin、lineCap设置以及miterLimit设置。
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在WebGL中，绘制带宽度的曲线则比较麻烦，因为没有现成的API可以使用。这个时候，我们可以使用挤压曲线的技术来得到带宽度的曲线，挤压曲线的具体步骤可以总结为三步：
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1. 确定端点和转角的挤压方向，端点可以沿线段的法线挤压，转角则通过两条线段延长线的单位向量求和的方式获得。
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2. 确定端点和转角挤压的长度，端点两个方向的挤压长度是线宽lineWidth的一半。求转角挤压长度的时候，我们要先计算方向向量和线段法线的余弦，然后将线宽lineWidth的一半除以我们计算出的余弦值。
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3. 由步骤1、2计算出顶点后，我们构建三角网格化的几何体顶点数据，然后将Geometry对象返回。
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这样，我们就可以用WebGL绘制出有宽度的曲线了。
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## 小试牛刀
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1. 你能修改extrudePolyline函数，让它支持lineCap为square和round吗？或者让它支持lineJoin为round吗？
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2. 我想让你试着修改一下extrudePolyline函数，让它支持lineJoin为bevel，以及miterLimit。并且，当lineJoin为miter的时候，如果转角挤压长度超过了miterLimit，我们就按照bevel处理向外的挤压。
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那通过今天的学习，你是不是已经学会绘制带宽度曲线的方法。那不妨就把这节课分享给你的朋友，也帮助他解决这个难题吧。好了，今天的内容就到这里了，我们下节课再见
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* * *
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## 源码
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课程完整示例代码详见[GitHub仓库](https://github.com/akira-cn/graphics/tree/master/polyline-curve)
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