Canvas学习:绘制箭头

在这篇文章中主要来聊在Canvas中怎么绘制箭头。在Canvas的 CanvasRenderingContext2D 对象中是没有提供绘制箭头的方法,言外之意,在Canvas中要绘制箭头是需要自己封装函数来处理。那今天的主题就是来看怎么封装绘制箭头的函数。

了解一些基础知识

平常我们常常看到的一些箭头样式如下图所示:

在绘制箭头最关键之处就是处理箭头:

其包括几个部分:

  • 一条直线,从起点 P1 到终点 P2
  • 终点 P2 向这条直线两侧扩展,将会产生一个 P3P4
  • 另外 P2P3 或者 P2P4 构成箭头斜线率
  • 箭头斜线和直线有一个夹角 thetaθ
  • 指定箭头的长度 d

从上图上我们可以看出,控制一个箭头,可以通过这几个参数来控制:

  • 起点 P1(fromX, fromY)
  • 终点 P2(toX, toY)
  • 斜线率 headlen
  • 夹角 thetaθ

对于箭头的 P3P4 点,我们就需要通过相应的 三角函数 计算得来。

那么 P3 的坐标可以轻易计算出来:

p3[0] = P2[0] - Math.cos(θ * Math.PI / 180); // P3对应的X坐标
p3[1] = p2[1] - Math.sin(θ * Math.PI / 180); // P3对应的Y坐标

用同样的方法可以计算出 P4 坐标:

p4[0] = P2[0] - Math.cos(θ * Math.PI / 180); // P4对应的X坐标
p3[1] = p2[1] + Math.sin(θ * Math.PI / 180); // P4对应的Y坐标

除此之外,还有一个关键,就是箭头的角度。获取箭头的角度,可以直接通过 atan2(y,x) 来获取。这也就涉及到三角函数中的 反正切函数

在三角函数中,两个参数的函数 atan2 是正切函数 tan 的一个变种。对于任意不同时等于 0 的实参数 xyatan2(y,x) 所表达的意思是坐标原点为起点,指向 (x,y) 的射线在坐标平面上与x轴正方向之间的角的角度。当 y>0 时,射线与 x 轴正方向的所得的角的角度指的是 x 轴正方向绕逆时针方向到达射线旋转的角的角度;而当 y<0 时,射线与 x 轴正方向所得的角的角度指的是 x 轴正方向绕顺时针方向达到射线旋转的角的角度。

在几何意义上, atan2(y, x) 等价于 atan(y/x) ,但 atan2 的最大优势是可以正确处理 x=0y≠0 的情况,而不必进行会引发除零异常的 y/x 操作。

简单的用下图来阐述:

在一个单位圆内 atan2 函数在各点的取值。圆内标注代表各点的取值的幅度表示。图片中,从最左端开始,角度的大小随着逆时针方向逐渐从 增大到 ,并且角度大小在点位于最右端时,取值为 0 。另外要注意的是,函数 atan2(y,x) 中参数的顺序是倒置的, atan2(y,x) 计算的值相当于点 (x,y) 的角度值。

简单的了解了反正切函数,我们回到我们的主题中。

先来看一张图:

通过 Math.atan2() 函数计算出 angle :

angle = Math.atan2(toY - fromY, toX - fromX)

为了和 θ 的单位值相匹配,将上面的公式进行一下转换:

angle = Math.atan2(toY - fromY, toX - fromX) * 180 / Math.PI

除此之外,还需要计算出箭头两条侧边线的夹角:

angle1 = (angle + theta) * Math.PI / 180;
angle2 = (angle - theta) * Math.PI / 180;

感觉有点零乱,其实我自己也瞎折腾了好几天。如果上面的内容不太好理解,建议你移步 阅读这篇文章

封装绘制箭头函数

通过前面的内容,可能对绘制箭头有一定的理论基础,接下来,我们看如何封装箭头函数。

drawArrow(ctx, fromX, fromY, toX, toY, theta, headlen, width, color)

这里我们传了九个参数:

  • ctx :Canvas绘图环境
  • fromX, fromY :起点坐标(也可以换成 p1 ,只不过它是一个数组)
  • toX, toY :终点坐标 (也可以换成 p2 ,只不过它是一个数组)
  • theta :三角斜边一直线夹角
  • headlen :三角斜边长度
  • width :箭头线宽度
  • color :箭头颜色

根据前面的内容,我们可以这样来写这个函数:

function drawArrow(ctx, fromX, fromY, toX, toY,theta,headlen,width,color) {

    theta = typeof(theta) != 'undefined' ? theta : 30;
    headlen = typeof(theta) != 'undefined' ? headlen : 10;
    width = typeof(width) != 'undefined' ? width : 1;
    color = typeof(color) != 'color' ? color : '#000';

    // 计算各角度和对应的P2,P3坐标
    var angle = Math.atan2(fromY - toY, fromX - toX) * 180 / Math.PI,
        angle1 = (angle + theta) * Math.PI / 180,
        angle2 = (angle - theta) * Math.PI / 180,
        topX = headlen * Math.cos(angle1),
        topY = headlen * Math.sin(angle1),
        botX = headlen * Math.cos(angle2),
        botY = headlen * Math.sin(angle2);

    ctx.save();
    ctx.beginPath();

    var arrowX = fromX - topX,
        arrowY = fromY - topY;

    ctx.moveTo(arrowX, arrowY);
    ctx.moveTo(fromX, fromY);
    ctx.lineTo(toX, toY);
    arrowX = toX + topX;
    arrowY = toY + topY;
    ctx.moveTo(arrowX, arrowY);
    ctx.lineTo(toX, toY);
    arrowX = toX + botX;
    arrowY = toY + botY;
    ctx.lineTo(arrowX, arrowY);
    ctx.strokeStyle = color;
    ctx.lineWidth = width;
    ctx.stroke();
    ctx.restore();
}

这个时候,只需要调用这个封装好的函数,我们就可以轻松的绘制一条向右的箭头:

drawArrow(ctx, 150, 100, 400,100,30,30,10,'#f36');

改变不同的坐标,可以得到不同方向的箭头:

// 向右箭头
drawArrow(ctx, myCanvas.width / 2, myCanvas.height / 2, myCanvas.width / 2 + 150, myCanvas.height / 2,30,30,4,'#f36');
// 向下箭头
drawArrow(ctx, myCanvas.width / 2, myCanvas.height / 2, myCanvas.width / 2, myCanvas.height / 2  + 150,30,30,4,'#f66');
// 向左箭头
drawArrow(ctx, myCanvas.width / 2, myCanvas.height / 2, myCanvas.width / 2 - 150, myCanvas.height / 2,30,30,4,'#0f6');
// 向上箭头
drawArrow(ctx, myCanvas.width / 2, myCanvas.height / 2, myCanvas.width / 2, myCanvas.height / 2 - 150,30,30,4,'#d6f');

有的时候,我们需要线的两头都要有箭头形状,在上面的基础上,稍加修改,增加一个反项的代码即可:

function drawArrow(ctx, fromX, fromY, toX, toY, theta, headlen, width, color) {
    theta = typeof(theta) != 'undefined' ? theta : 30;
    headlen = typeof(theta) != 'undefined' ? headlen : 10;
    width = typeof(width) != 'undefined' ? width : 1;
    color = typeof(color) != 'color' ? color : '#000';

    var angle = Math.atan2(fromY - toY, fromX - toX) * 180 / Math.PI,
        angle1 = (angle + theta) * Math.PI / 180,
        angle2 = (angle - theta) * Math.PI / 180,
        topX = headlen * Math.cos(angle1),
        topY = headlen * Math.sin(angle1),
        botX = headlen * Math.cos(angle2),
        botY = headlen * Math.sin(angle2);


    ctx.save();
    ctx.beginPath();

    var arrowX = fromX - topX,
        arrowY = fromY - topY;
    ctx.moveTo(arrowX, arrowY);
    ctx.lineTo(fromX, fromY);
    arrowX = fromX - botX;
    arrowY = fromY - botY;
    ctx.lineTo(arrowX, arrowY);
    ctx.moveTo(fromX, fromY);
    ctx.lineTo(toX, toY);

    // Reverse length on the other side
    arrowX = toX + topX;
    arrowY = toY + topY;
    ctx.moveTo(arrowX, arrowY);
    ctx.lineTo(toX, toY);
    arrowX = toX + botX;
    arrowY = toY + botY;
    ctx.lineTo(arrowX, arrowY);
    ctx.strokeStyle = color;
    ctx.lineWidth = width;
    ctx.stroke();
    ctx.restore();
}

调用函数:

drawArrow(ctx, myCanvas.width / 2 - 200, myCanvas.height / 2, myCanvas.width / 2 + 200,myCanvas.height / 2,30,30,5,'#f36');

看到的效果如下:

上面我们看到的仅是一种箭头方式,文章开头,提到箭头方式有多种方式。那么我们可以将 drawArrow 功强变得更为强大一些。比如@Patrick Horgan在他的文章中提到的方法:

  • drawHead :封装一个专门绘制箭头头部的函数,而且提供了四种样式做为选择
  • drawArrow : 封装直线箭头,并且提供两个方向
  • drawArcedArrow :函数一个曲线箭头

由于代码较多,这里就不展示出来了,不过可以在对应的 CodePen示例 中查看到代码:

总结

这篇文章主要介绍了通过三角函数的一些知识,封装了一个箭头函数,用来帮助我们在Canvas中更轻易的绘制出箭头。因为在Canvas中没有直接提供绘制箭头的函数或者说方法。那么三角在实际中有什么哪些运用呢?大家可以发挥想象力,思考一下,写写实例。在最后一个方法中,我们其实还运用到了Canvas中的贝塞尔曲线绘制的方法。在下一节中,我们就来学习在Canvas中怎么绘制贝塞尔曲线。

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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