我从 fabric.js 中学到了什么

前言

熟悉 canvas 的朋友想必都使用或者听说过 Fabric.js，Fabric 算是一个元老级的 canvas 库了，从第一个版本发布到现在，已经有 8 年时间了。我近一年时间也在项目中使用，作为用户简单说说感受：

1. 方便，只有想不到，没有做不到
2. 源码写的真好，代码规范，注释清晰
3. 社区真匮乏，国内资源尤其少
4. 看文档不如看源码

优缺点都很鲜明，但总的来说，如果你要做一个在线编辑类的项目，比如在线 PPT，在线制图等应用，fabric 绝对是个很好的选择。

那么这一系列文章要写什么？这里不会主要介绍如何使用 fabric，主要写的内容是把在阅读源码过程中，把涉及到原理相关的知识总结出来，比如相关图形学知识、canvas 相关、fabric 中的设计思想等的相关知识。所以，如果你现在还对 fabric 不是很了解，建议先去官网找几个 demo 试一下。

下面我们进入这次的正题，这篇文章主要介绍 fabric.canvas 涉及到的部分内容。

从创建画布开始

fabric 创建画布很简单：

const canvas = new fabric.Canvas("domId", options);

在这样一行代码背后，fabric 主要做了下面这几件事情：

• 创建缓存 canvas
• 构建两层 canvas 元素：lower-canvas 和 upper-canvas
• 绑定事件
• 处理 retina 屏
• ...

下面我把相关内容一一阐述。

canvas 缓存

介绍 canvas 缓存，fabric 中的缓存也是类似的道理，简单来说，就是使用一个离屏 canvas 来做预渲染，在真实画布上用 drawImage 代替直接绘制图形。

我们先来看个 例子，大家可以把 FPS meter 打开，切换按钮可以看到，不使用缓存和使用缓存 FPS 值差距还是挺大的，我电脑在使用缓存的时候基本在 60fps，不使用会降到 15fps 左右。大家可以打开控制台或者在 这里 查看代码。
下面列出主要的代码片段：

class Ball {
  constructor(x, y, vx, vy, useCache = true) {
    // ...
    if (useCache) {
      this.useCache = useCache;
      this.cacheCanvas = document.createElement("canvas");
      // 离屏 canvas 宽高取要渲染图形的宽高，不可以取真实 canvas 的宽高，否则会渲染大量无用区域
      this.cacheCanvas.width = 2 * (this.r + BORDER_WIDTH);
      this.cacheCanvas.height = 2 * (this.r + BORDER_WIDTH);
      this.cacheCtx = this.cacheCanvas.getContext("2d");
      this.cache();
    }
  }

  paint() {
    // 使用缓存直接使用创建的离屏canvas，否则直接绘制图形
    if (!this.useCache) {
      ctx.save();
      ctx.lineWidth = BORDER_WIDTH;
      ctx.beginPath();
      ctx.strokeStyle = this.color;
      ctx.arc(this.x, this.y, this.r, 0, 2 * Math.PI);
      ctx.stroke();
      ctx.restore();
    } else {
      ctx.drawImage(
        this.cacheCanvas,
        this.x - this.r,
        this.y - this.r,
        this.cacheCanvas.width,
        this.cacheCanvas.height
      );
    }
  }

  move() {
    // ...
  }

  cache() {
    // 绘制图形
    this.cacheCtx.save();
    this.cacheCtx.lineWidth = BORDER_WIDTH;
    this.cacheCtx.beginPath();
    this.cacheCtx.strokeStyle = this.color;
    this.cacheCtx.arc(
      this.r + BORDER_WIDTH,
      this.r + BORDER_WIDTH,
      this.r,
      0,
      2 * Math.PI
    );
    this.cacheCtx.stroke();
    this.cacheCtx.restore();
  }
}

解释一下二者区别：

• 使用缓存：在实例化每个图形的时候（渲染之前），先将图形渲染到一个离屏的 canvas 上，在渲染的时候，直接用 drawImage 将离屏的 canvas 渲染。
• 不使用缓存： 在渲染的时候直接绘制图形

使用缓存的时候，有一点需要注意的是要控制好离屏 canvas 的大小，不可以直接取和渲染 canvas 的实际宽高，否则会渲染很多无用的空间，比如上面例子中每个离屏 canvas 的宽高只需要和对应图形的宽高一致。

this.cacheCanvas.width = 2 * (this.r + BORDER_WIDTH);
this.cacheCanvas.height = 2 * (this.r + BORDER_WIDTH);

上述代码中主要节省时间的地方在 paint 函数中使用 drawImage会比直接绘制图形节省时间，那么是否所有场景都是这样呢？我们再来看下面这个 例子.

这个例子和上面的只有绘制图形的代码不同：

// 从复杂图形变成了简单图形
cache() {
  this.cacheCtx.save();
  this.cacheCtx.lineWidth = BORDER_WIDTH;
  this.cacheCtx.beginPath();
  this.cacheCtx.strokeStyle = this.color;
  this.cacheCtx.arc(
    this.r + BORDER_WIDTH,
    this.r + BORDER_WIDTH,
    this.r,
    0,
    2 * Math.PI
  );
  this.cacheCtx.stroke();
  this.cacheCtx.restore();
}

只是cache方法中把复杂图形变成了简单的图形。但实际效果相差甚远，使用缓存和不使用性能差距并不大，甚至不使用时 fps 值还更高一些。

所以看来图形的复杂度，直接会影响 canvas 缓存的效果，我们在开发过程中，也不能盲目引入缓存，要权衡利弊。fabric 中缓存是默认开启的，同时也可以设置 objectCaching 为 false 禁用。

lower-canvas 和 upper-canvas

如果大家细心的话应该会发现，当我们执行new fabric.Canvas('domeId')的时候，在页面上 dom 元素就改变了，fabric 复制了一层 canvas 盖在了我们定义的 canvas 上面：

fabric 这样设计将渲染层和交互层做了分离，lower-canvas 只负责渲染元素；所有的交互，比如框选，事件处理都在 upper-canvas 上。

顺便提一下，fabric 提供了渲染静态画布的方法，如果你的画布不需要任何交互，只用来展示，那么可以用new fabric.StaticCanvas('domId', options)来初始化，这时候 dom 结构中就只有一个 canvas，没有 upper-canvas 了。

说到这里，很多同学可能会想到，事件是怎样绑定的呢？其实两个 canvas 大小等属性都是一致的，所以坐标也是可以对应上的，比如在 upper-canvas 上某个位置点击了一下，那么就可以去 lower-canvas 上就可以用这个坐标去找是否点击到了一个元素，那么问题来了，如何判断一个点在一个图形中呢？

如何判断点在图形中

这个问题网上有个比较普遍的方案，就是通过画一条射线，通过交点奇偶性来判断。如下图：

1. 设目标点 P，使 P 点向任意一个方向画一条射线，保证不与图形的顶点相交；
2. 记录射线与图形的交点数量 n；
3. n 为奇数时，P 就在图形内，反之则在图形外。

而 fabric 中并没有用这种方法，原因很简单，这个算法是有前提的：发出的射线不能与图形任何顶点相交。 这个前提对于我们主观来判断是很简单的，但程序中处理可能就需要大量的代码去判断是否与交点相交，如果相交再重新生成一条射线。

fabric 中使用的算法对上述算法进行了改进，我们结合下图来解释：

其中 e1 ~ e5 分别为多边形的边，P 为目标点，黑色实心点为多边形的顶点，r 为 P 延 X 轴发出的射线（不同于上面的方法，这里我们约定 r 射线只能延 X 轴发出）。

1. 设目标点 P，使 P 延 X 轴方向画一条射线（ y=P_y ），设 intersectionCount = 0

2. 遍历多边形的所有边，设边的顶点为 p1, p2

   1. 如果 p1_y < P_y，而且 p2_y < P_y，跳过（也就是这条边在 P 点下方）
   2. 如果 p1_y >= P_y，而且 p2_y >= P_y，跳过（也就是这条边在 P 点上方）
   3. 否则，设射线与这条边的交点为 S，如果 S_x >= P_x,intersectionCount加 1
3. 最终如果intersectionCount为奇数，则在图形内，反之则在图形外。

判断的部分用代码实现类似：

// point 目标点，lines多边形的所有边
function checkPoint(point, lines) {
  let intersectionCount = 0;
  let { x, y } = point;
  for (let i = 0; i < lines.length; i++) {
    let line = lines[i];
    // 两个顶点
    let { p1, p2 } = line;
    if ((p1.y < y && p2.y < y) || (p1.y >= y && p2.y >= y)) {
      continue;
    } else {
      const sx = ((y - p1.y) / (p2.y - p1.y)) * (p2.x - p1.x) + p1.x;
      if (sx >= x) {
        intersectionCount++;
      }
    }
  }
  return intersectionCount % 2 === 0;
}

这里是个简单的例子。同时 这里 可以获取完整代码。

处理 Retina 屏

Retina 屏幕模糊的问题，直接给出处理方法，就不展开说了。

1. canvas.width, canvas.height 放大至 dpi 倍
2. canvas.style.width, canvas.style.height 设为原始 canvas 宽高
3. ctx 缩放 dpi 倍

代码：

function initRetina(canvas, ctx) {
  const dpi = window.devicePixelRatio;
  canvas.style.width = canvas.width + "px";
  canvas.style.height = canvas.height + "px";
  canvas.setAttribute("width", canvas.width * dpi);
  canvas.setAttribute("height", canvas.height * dpi);
  ctx.scale(dpi, dpi);
}

查看例子，完整代码

小结

本篇文章主要针对fabric.canvas模块，介绍了相关 canvas 缓存，fabric 中判断点在图形中的算法以及如何处理 retina 屏幕的知识，作为系列的第一篇文章，可能会有很多问题，如有错误及意见，欢迎批评指正。

参考文献：
http://idav.ucdavis.edu/~okre...
http://www.geog.ubc.ca/course...
https://www.cnblogs.com/axes/...
http://fabricjs.com/docs/