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canvas高效繪制10萬圖形,你必須知道的高效繪制技巧

you_De / 1439人閱讀

摘要:最近的一個客戶項目中,簡化的需求是繪制按照行列繪制很多個圓圈。等等,客戶要求繪制的極限是萬個,而且每次繪制不能卡頓。然后通過通過創建對象,并把的繪制上下文的指定為該對象。另外繪制的效果其實是沒有繪制的效果好的,鋸齒嚴重。

最近的一個客戶項目中,簡化的需求是繪制按照行列繪制很多個圓圈。需求看起來不難,上手就可以做,寫兩個for循環。

原始繪制方法

首先定義了很多Circle對象,在遍歷循環中調用該對象的draw方法。代碼如下:

for (var i = 0; i < column; i++) {
    for (var j = 0; j < row; j++) {
        var circle = new Circle({
            x: 8 * i + 3,
            y: 8 * j + 3,
            radius: 3
        })
        box.push(circle);
    }
}

console.time("time");
    for (var c = 0; c < box.length; c++) {
        var circle = box[c];
        circle.draw(ctx);
    }
    console.timeEnd("time");

結果繪制出了按照行列排布的很多個圓圈了,如下圖所示:

恩,很簡單嘛,可以回家睡覺了。
等等,客戶要求繪制的極限是10萬個,而且每次繪制不能卡頓。先看下繪制10萬個圓圈的時間是多久,用console.time 統計繪制時間:

console.time("time");
// 實際繪制的代碼
console.timeEnd("time");

時間顯示為幾百毫秒(3到4百毫秒),如下圖所示:

幾百毫秒的繪制時間,必然是卡頓的。想要流暢操作,肯定還的優化。

批量繪制

首先想到的是批量繪制,前面的代碼中,每次變量都會調用circle.draw(ctx)方法,circle.draw方法代碼如下:

draw: function (ctx) {
    ctx.save();
    ctx.lineWidth=this.lineWidth;
    ctx.strokeStyle=this.strokeStyle;
    ctx.fillStyle=this.fillStyle;
    ctx.beginPath();
    this.createPath(ctx);
    ctx.stroke();
    if(this.isFill){ctx.fill();}
    ctx.restore();
},

可以看出 每次遍歷都調用了一次beginPath和stroke方法。為了提高繪制效率,我們可以只調用beginPath和stroke方法一次,把所有的子路徑組織成為一個大的路徑,這就是所謂的批量繪制思路,代碼如下:

    console.time("time");
    ctx.beginPath();
    for (var c = 0; c < box.length; c++) {
        var circle = box[c];
        ctx.moveTo(circle.x + 3, circle.y);
        circle.createPath(ctx);
    }
    ctx.closePath();
    ctx.stroke();
    console.timeEnd("time");

調試發現,確實效率有了很大的提升,時間減少到100毫秒左右,相當于效率提高了3-4倍左右,如下圖所示:

需要注意的是上述代碼中的moveTo語句:

ctx.moveTo(circle.x + 3, circle.y);

這是因為: 當使用arc方法給路徑中添加子路徑的時候,arc所定義的路徑會自動和路徑集合中的最后一個路徑連接起來,如下圖所示:

此處的moveTo就是為了避免這種連接。

注意:arc 和arcTo都會有上述問題,但是rect定義的路徑卻不存在這種問題。
Pattern 方式

通過以上優化,客戶已經覺得效率挺不錯了。 但是技術研究沒有止境,由于這個分布很規律,總感覺有更加快速的方法。最終突發靈感想到了一種方法,就是使用canvas 的Pattern功能:
canvas的fillStyle可以指定為一個pattern對象,而pattern可以實現一個簡單圖像的平鋪。基于這種思路,我們可以實現如下代碼:

var tempCanvas = document.createElement("canvas");

var ctx2 = tempCanvas.getContext("2d");
var w = 5,h = 5;
tempCanvas.width = w;
tempCanvas.height = h;
dpr(tempCanvas);
ctx2.fillStyle = "red";
ctx2.arc(w/2,h/2,w/2 - 1,0,Math.PI * 2);
ctx2.stroke();                  

ctx.save();
ctx.beginPath();
var width = tempCanvas.width * 500,height = tempCanvas.height * 200;
var pattern = ctx.createPattern(tempCanvas, "repeat");
ctx.clearRect(100,100,width,height);
ctx.rect(100,100,width,height);
ctx.fillStyle = pattern;
ctx.fill();
ctx.restore();

代碼首先定義一個小的canvas,命名為tempCanvas,在tempCanvas上面繪制一個圓,需要注意的是tempCanvas的尺寸要設置為正好繪制下這個圓圈。

然后通過通過tempCanvas創建pattern對象,并把canvas的繪制上下文ctx的fillStyle指定為該pattern對象。
之后通過rect方法指定要fill的區域大小,改區域大小應該是所有最終要繪制的圓圈的大小的總和:var width = tempCanvas.width 500,height = tempCanvas.height 200;
最后調用畫筆的fill方法,用tempCanvas填充區域。最終繪制的效果和繪制消耗的時間如下圖所示:

通過上圖可以看出,效率極高,可以達到零點幾毫秒的級別。

新的需求

如果客戶需求只是這么簡單,相信使用canvas pattern對象這種方式,效率是最高的。但是,客戶的實際需求是,先繪制10萬個的圓圈,然后可以用擦除工具,擦除一些區域的圓圈,如下圖所示:

原始繪制方法和批量繪制方法要是實現上述效果,都很容易,只要把不需要繪制圓圈的位置,直接忽略掉即可以。

比如用一個map記錄需要忽略的圓圈的坐標,遍歷的時候判斷在map記錄中的地方就直接跳過不進行繪制操作。
canvas pattern + 裁剪

如果是canvas pattern的方式,應該怎么實現上圖的效果呢? 經過思索發現可以通過ctx.clip方法。

clip,裁剪。如果通過ctx.clip定義了裁剪區域,繪制的圖形只會在裁剪區域的部分顯示出來,裁剪區域之外的,則不會顯示。

沒一個圓圈都會占用一個矩形區域,本案例中,可以把要顯示的的圓圈所占的矩形區域都定義到裁剪區域里面,而不要顯示的圓圈的矩形區域則排除到裁剪區域之外,如下圖所示,繪制圓圈的矩形區域用實線表示出來,不繪制圓圈的區域用虛線表示:

只需要把所有實線表示的矩形區域都添加到要clip的路徑中去,然后調用fill方法,則只會在實現定義的矩形區域顯示出來圓圈。以下是示例代碼:

 for(var i = 0;i < 400; i ++){
                    for(var j = 0;j < 400;j ++){
                            var r = Math.random();
                             if(r <0.2){
                              templateMap[i+":" + j] = true;
                              continue;
                            }
                              
                          var x = 10 + j * tempCanvas.width;
                          var y = 10 + i * tempCanvas.height;
                          var rect = {
                            x : x,
                            y : y,
                            width : tempCanvas.width,
                            height:tempCanvas.height
                          };
                         ctx.rect(rect.x,rect.y,rext.width,rect.height);
   }
ctx.clip();

首先遍歷所有的圓圈坐標,為了演示效果,用Math.random為了模擬隨機產生一個數,如果這個數小于0.2,則當前圓圈的矩形區域不會被加入裁剪區域,也就是該圓圈不會顯示出來。
通過上面裁剪操作后,“擦除后的效果”算是實現了。但是,經過測試,性能卻低回去了,為什么,因為增加了很多rect操作。測試下來,一幁的繪制時間大概在80多毫秒,比批量繪制還是高一點,但是感覺還是不夠好。

Pattern + 合并裁剪

觀察上面 “裁剪區域” 這個圖,以第一行為例,第一、第二、第三個矩形區域是連在一塊的,完全沒有必要調用三次ctx.rect方法,而是先用算法把三個區域合并為一個矩形區域,然后調用一次ctx.rect方法即可,如下圖:

下面是合并裁剪區域的算法,目前只是實現了同一行的合并,更加優化的合并算法并沒有實現,代碼如下:

 function calRectMap (tempCanvas){
                    if(rectMap != null){
                      return;
                    }
                    rectMap = rectMap || [];
                     for(var i = 0;i < 400; i ++){
                      for(var j = 0;j < 400;j ++){
                            var r = Math.random();
                             if(r <0.2){
                              templateMap[i+":" + j] = true;
                              continue;
                            }
                              
                          var x = 10 + j * tempCanvas.width;
                          var y = 10 + i * tempCanvas.height;
                          var rect = {
                            x : x,
                            y : y,
                            width : tempCanvas.width,
                            height:tempCanvas.height
                          };
                          lineRectMap[i] = lineRectMap[i] || [];

                          lineRectMap[i][j] = rect;
                      }
                      unionLineRects(lineRectMap[i],rectMap);
                    }
               }

               function unionLineRect(rect1,rect2){
                    return {
                        x: rect1.x,
                        y : rect1.y,
                        width:rect1.width + rect2.width,
                        height:rect1.height
                    }
               }

               function unionLineRects(lineRectMap,rectMap){
                    var lastRect = null,lastNotNullIndex = null;
                    for(var j = 0;j < 400;j ++){
                        
                        var currentRect = lineRectMap[j];
                        if(lastRect == null){
                              lastRect = currentRect;
                        }else{
                            if( lastNotNullIndex == j - 1 && currentRect){
                                lastRect = unionLineRect(lastRect,currentRect);
                            }
                        }
                        if(currentRect != null){
                          lastNotNullIndex = j;
                        }else if (lastRect){
                            rectMap.push(lastRect);
                            lastNotNullIndex = null;
                            lastRect = null;
                        }
                    }
                    if(lastRect){
                      rectMap.push(lastRect);
                    }
               }

相關合并的算法,此處不再詳細說明。 合并之后,測試繪制的時間降低到了10幾毫秒,算是比較好的繪制效果了:

webgl繪制

由于筆者本人也長期研究webgl的技術,所以嘗試著用webgl實線了2d的繪制,相關細節不在此處贅述,后面會寫專門的文章如何用webgl繪制2d圖形。最終測試的效率不是很理想,差不多100多毫秒,和上面的批量繪制差不多。 因為用webgl繪制,單次的繪制效率應該不會太差,但是由于需要遍歷調用10萬次繪制命令,必然效率不高。另外webgl繪制的效果其實是沒有2d繪制的效果好的,鋸齒嚴重。 要實現好的效果,還需要引入去鋸齒相關技術。 繪制的效果如下:

用webgl繪制2d圖形的相關主題,回頭會另外寫一篇文章介紹。敬請關注。

webgl2繪制

webgl2 引入了實例化數組,通過這個功能,可以實現把很多次的繪制調用合并為一個繪制調用,這會極大提高繪制效率。

有關實例化數組的功能,參考https://www.jianshu.com/p/d40...

繪制10萬個圓形的效率大概在每幀零點零幾毫秒,簡直就是大boss級別的快,如下圖:

后記

通過這篇文章,除了想給讀者傳遞相關知識點之外,其實還想表達一個觀點:
相比于知識點,程序員更加需要鍛煉的是底層思維能力。在我看來,底層思維能力包括:學習力、創造力、判斷力和思考力。而勤于思考的人,不拘泥于司空見慣,都能夠從日??菰锏娜蝿罩邪l現很多有趣的東西,啟發更多深入的思路。
勤于思索是很重要的。 知識是死的,人是活的,同樣的知識點,在思考力強的人手上,就能延伸出很多好的解決方案。
這就要求人勤于探索,不要滿足于把任務完成,而是要多深入思考,多總結,探索更多的方案和可能性。這本身有助于鍛煉思考力和創造力,而思考力和創造力又會反過來幫助你解決更多的問題。

其實IT行業的知識更新越來越快,能夠以不變應萬變的人,就是擁有良好的學習力、創造力、判斷力和思考力的人。這些能力會讓你在變換萬千的技術海洋中,屹立不倒,不被淹沒。

當然,標書可能有點好為人師了。 在日常的工作中,彪叔更喜歡做的事情,就是啟迪下屬的思考,而不僅僅是某個問題的解決方案。這是比學習知識更加重要的素質。彪叔也會在我的其他文章中,分享底層能力的相關認知。有興趣的猿們可以關注彪叔的公號:ITman彪叔

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