探究JS Canvas库

一、Canvas简介

Canvas是HTML5中新增的一个标准组件，它提供了一种在网页上绘制图形的方式，通过在JavaScript中绘制2D图像或利用WebGL的API制作3D场景。Canvas提供了非常丰富的绘图能力，可以画线、矩形、弧线、曲线、文本、图像等，还支持多种动画、交互效果和图形变换，是实现Web应用高品质可视化效果的关键技术之一。

二、Canvas组成

Canvas是由HTML的canvas标签和JavaScript的API组成的。HTML5规定了canvas标签的width和height属性的默认值分别为300和150，表示画布的大小。在canvas中，每个像素由一个或多个字节组成，可以通过ImageData对象读取或修改像素的值。

    <canvas id="myCanvas" width="500" height="500"></canvas>
    <script>
        var canvas = document.getElementById('myCanvas');
        var ctx = canvas.getContext('2d');
        ctx.fillStyle = 'red';
        ctx.fillRect(0, 0, 50, 50);
    </script>

三、Canvas绘图基础

在Canvas中，绘制图形需要用到CanvasRenderingContext2D对象，简称为ctx，通过调用该对象的方法来绘制图形。比如，通过调用fillRect(x, y, width, height)方法绘制一个填充的矩形，并通过设置fillStyle属性来设置颜色。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    ctx.fillStyle = 'red';
    ctx.fillRect(0, 0, 50, 50);

四、Canvas绘制图形

Canvas可绘制多种图形，以下是其中一些的绘制方法。

1. 绘制矩形

使用fillRect(x, y, width, height)方法绘制填充的矩形，rect(x, y, width, height)方法绘制矩形路径，strokeRect(x, y, width, height)方法绘制矩形边框。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    ctx.fillStyle = 'red';
    ctx.fillRect(0, 0, 50, 50);
    ctx.rect(100, 0, 50, 50);
    ctx.strokeRect(200, 0, 50, 50);

2. 绘制圆形

使用arc(x, y, radius, startAngle, endAngle, anticlockwise)方法绘制圆形路径，并通过设置fillStyle属性来设置颜色，并使用fill()方法填充颜色。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    ctx.beginPath();
    ctx.fillStyle = 'red';
    ctx.arc(75, 75, 50, 0, Math.PI * 2, true);
    ctx.fill();

3. 绘制直线

使用moveTo(x, y)方法设置直线的起点，使用lineTo(x, y)方法绘制直线，并通过设置strokeStyle属性来设置颜色。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    ctx.beginPath();
    ctx.strokeStyle = 'red';
    ctx.moveTo(0, 100);
    ctx.lineTo(200, 100);
    ctx.stroke();

五、Canvas动画效果

Canvas不仅可以绘制静态的图形，还可以实现动画效果。Canvas的动画实际上是通过在画布上连续地绘制多幅图像，形成动态变化的效果。

1. 实现动画基本原理

实现动画的基本原理是通过设置一个定时器，每隔一段时间重新绘制新图像，从而实现画布上图像变换的效果。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    var x = 0;
    setInterval(function(){
        ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
        ctx.fillStyle = 'red';
        ctx.fillRect(x, 0, 50, 50);
        x += 5;
    }, 50);

2. 实现简单动画效果

使用Canvas可以实现各种复杂的动画效果，其中比较简单的动画效果包括移动、旋转、缩放等。比如，实现一个移动方块的动画效果。首先，在画布上绘制一个方块，并使用requestAnimationFrame()方法来实现动画。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    var x = 0;
    function draw() {
        ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
        ctx.fillStyle = 'red';
        ctx.fillRect(x, 0, 50, 50);
        x += 5;
        requestAnimationFrame(draw);
    }
    requestAnimationFrame(draw);

3. 实现复杂动画效果

使用Canvas可以实现各种复杂动画效果，比如渐变、闪烁、路径运动等。以下是一个简单的使用贝塞尔曲线实现的动画效果。

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var ctx = canvas.getContext('2d');

    var startX = 50;
    var startY = 200;
    var endX = 450;
    var endY = 200;
    var controlX = 250;
    var controlY = -100;

    var t = 0;

    function draw() {
        t += 0.002;
        ctx.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
        ctx.beginPath();
        ctx.lineWidth = 5;
        ctx.strokeStyle = 'red';

        ctx.moveTo(startX, startY);
        quadraticBezierCurve(startX, startY, endX, endY, controlX, controlY, t);

        ctx.stroke();
        if(t < 1) {
            requestAnimationFrame(draw);
        }
    }
    requestAnimationFrame(draw);

    function quadraticBezierCurve(startX, startY, endX, endY, controlX, controlY, t) {
        var x = Math.pow((1-t), 2)*startX + 2*(1-t)*t*controlX + Math.pow(t, 2)*endX;
        var y = Math.pow((1-t), 2)*startY + 2*(1-t)*t*controlY + Math.pow(t, 2)*endY;
        ctx.lineTo(x, y);
    }

六、Canvas与其他库的结合

Canvas可以与其他库结合使用，实现更强大的功能。比如，与D3.js结合使用可以绘制各种复杂图表，与three.js结合使用可以实现3D图像渲染，与拖拽库结合使用可以实现拖拽功能等。

1. 与D3.js结合使用

以下是一个使用D3.js和Canvas结合绘制柱状图的示例代码：

    var data = [1, 2, 3, 4, 5];
    var canvas = d3.select('body').append('canvas').attr('width', 500).attr('height', 500).node();
    var ctx = canvas.getContext('2d');
    var x = 50;
    var y = 450;
    var width = 50;
    var height;
    var padding = 10;
    for(var i = 0; i < data.length; i++) {
        height = data[i] * 50;
        ctx.fillStyle = 'red';
        ctx.fillRect(x, y - height, width, height);
        x += width + padding;
    }

2. 与three.js结合使用

以下是一个使用three.js和Canvas结合绘制3D立方体的示例代码：

    var canvas = document.getElementById('myCanvas');
    var renderer = new THREE.WebGLRenderer({canvas: canvas});
    renderer.setClearColor(0x000000);

    var scene = new THREE.Scene();

    var geometry = new THREE.BoxGeometry(100, 100, 100);
    var material = new THREE.MeshBasicMaterial({color:0xffffff, wireframe:true});

    var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
    scene.add(cube);

    camera = new THREE.PerspectiveCamera(45, canvas.width / canvas.height, 1, 1000);
    camera.position.z = 200;

    var clock = new THREE.Clock();

    function render() {
        var delta = clock.getDelta();
        cube.rotation.x += 2 * delta;
        cube.rotation.y += 2 * delta;
        renderer.render(scene, camera);
        requestAnimationFrame(render);
    }
    requestAnimationFrame(render);

七、总结

Canvas作为HTML5的基本组件之一，提供了丰富的绘图功能和动画效果，并且可以与其他库结合使用。通过学习和使用Canvas，既可以提高Web应用的可视化效果，也可以拓展自己的技术能力。