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signature_pad一个基于Canvas的平滑手写画板工具

介绍

实现手写有多种方式。

一种比较容易做出的是对鼠标移动轨迹画点,再将两点之间以直线相连,最后再进行平滑处理,这种方案不需要什么算法支持,但同样,它面对一个性能和美观的抉择,打的点多,密集,性能相对较低,但更加美观,视觉上更平滑;

此处用的另一种方案,画贝塞尔曲线。

由于canvas没有默认的画出贝塞尔曲线方法(感谢@madRain评论中更正)由于canvas并没有提供根据初始和结束点计算出贝塞尔曲线控制点的API,因此这里使用了贝塞尔曲线的一系列算法,包括求控制点求长度计算当前点的大小,最后用canvas画出每一个确定位置的点。

补充:个人认为,之所以不使用canvas提供的贝塞尔曲线API,是因为可以实时控制线条粗细(点的大小),在斜街的时候达到平滑的效果。

参数及配置介绍

提供的可配置参数如下

export interface IOptions {
  // 点的大小(不是线条)
  dotSize?: number | (() => number);
  // 最粗的线条宽度
  minWidth?: number;
  // 最细的线条宽度
  maxWidth?: number;
  // 最小间隔距离(这个距离用贝塞尔曲线填充)
  minDistance?: number;
  // 背景色
  backgroundColor?: string;
  // 笔颜色
  penColor?: string;
  // 节流的间隔
  throttle?: number;
  // 当前画笔速度的计算率,默认0.7,意思就是 当前速度=当前实际速度*0.7+上一次速度*0.3
  velocityFilterWeight?: number;
  // 初始回调
  onBegin?: (event: MouseEvent | Touch) => void;
  // 结束回调
  onEnd?: (event: MouseEvent | Touch) => void;
}

这里要注意的是并没有线条粗细这个选项,因为这里面的粗细不等线条都是通过一个个大小不同的点构造而成;

throttle这个配置可以参考loadsh或者underscore_.throttle,功能一致,就是为了提高性能。

注册事件

constructor内部,除了配置传入的参数外,就是注册事件。

这里优先使用了PointerEvent触点事件,PointerEvent可以说是触摸以及点击事件的统一,如果设备支持,不需要再分别为mousetouch写两套事件了。

状态数据储存

状态开关:

  • this._mouseButtonDown

    当执行move事件时,会检查此状态,只有在true的情况下才会执行。

数据储存分为2种格式:

  1. pointGroup

    这是当前笔画的点的一个集合,内部储存了当前笔画的颜色color和所有的点points<Array>

  2. this._data

    这是一个储存所有笔画的栈,格式为[pointGroup, pointGroup, ..., pointGroup],当需要执行undo的时候,只需要删除this._data中的最后一条数据。

事件流程及方法

mouseDown事件

当鼠标(触点)按下时,改变状态this._mouseButtonDown = true,调用onBegin回调,创建当前笔画的一个新的集合,然后对当前点执行更新

mouseMove事件

首先检查this._mouseButtonDown状态,对当前点执行更新

mouseUp事件

改变状态this._mouseButtonDown = false;,调用onEnd回调,对当前点执行更新

可以看到,上面的每一个事件内部都调用对当前点执行更新的方法。

_strokeUpdate——点的更新方法

private _strokeUpdate(event: MouseEvent | Touch): void {
    // 获取当前触点的位置
    const x = event.clientX;
    const y = event.clientY;

    // 创建点
    const point = this._createPoint(x, y);
    // 调出最后一个点集
    const lastPointGroup = this._data[this._data.length - 1];
    // 获取最后一个点集的点的数组
    const lastPoints = lastPointGroup.points;
    // 如果存在上一个点,获取上一个点
    const lastPoint =
      lastPoints.length > 0 && lastPoints[lastPoints.length - 1];
    // 判断上一个点到当前点是否太近(也就是小于配置的最小间隔距离)
    const isLastPointTooClose = lastPoint
      ? point.distanceTo(lastPoint) <= this.minDistance
      : false;
    // 调出点集的颜色
    const color = lastPointGroup.color;

    // Skip this point if it's too close to the previous one
    // 存在上一个点但是太近,跳过,其余的执行
    if (!lastPoint || !(lastPoint && isLastPointTooClose)) {
      // 向上一次的点数组中添加当前点,并且生成一个新的贝塞尔曲线实例
      // 包括4个点 (初始点,2个控制点,结束点)
      // 初始宽度,最终宽度
      const curve = this._addPoint(point);

      // 如果不存在lastPoint,即当前点是第一个点
      if (!lastPoint) {
        // 画一个点
        this._drawDot({ color, point });
      // 如果存在lastPoint 并且能形成一个贝塞尔曲线实例(3个点以上)
      } else if (curve) {
        // 画出参数中curve实例中两点之间的曲线
        this._drawCurve({ color, curve });
      }
      // 添加到当前笔画的点数组
      lastPoints.push({
        time: point.time,
        x: point.x,
        y: point.y,
      });
    }
  }

这个方法前面就是一系列判断

  • 判断是否是第一个点
  • 判断是否能加入点的集合(满足点的最小间隔)
  • 判断是否能画出贝塞尔曲线(满足至少3个点)

    对于能画出贝塞尔曲线的点,执行算法,求出Besier实例,包括4个点初始点结束点控制点1控制点2以及当前曲线中线条的的初始宽度结束宽度

    具体如何算的,请参考源码src/bezier.ts这篇文章

对于能画出贝塞尔曲线的,对已经求出的Bezier实例,执行this._drawCurve,否则执行this._drawDot

this._drawDot——画点的方法

获取配置中的dotSize,执行canvas画点。

this.__drawCurve——画线的方法

  1. 求出当前Bezier实例初始点结束点之间的距离,这个距离不是直线距离,而是贝塞尔曲线距离。
  2. 对这个距离进行扩展,例如,计算得到距离为50,那就扩展为100个点,即我需要在50这个距离内画出100个点;

    这么做可以保证在正常或者稍微快速的书写中,不出现断层。

  3. 接着又是算法,目的是求出这个距离内的每一个点的大小,这是一个变化值,是的粗细变化更加平滑。
  4. 最后同样是canvas画点。

以上就是整个基本流程。

总结

阅读一遍后,这个库说白就是基础的事件操作+贝塞尔曲线算法,但是,它内部的代码格式非常清晰,细粒度+代码复用使得维护起来非常方便。

同时可以对贝塞尔曲线有一个更深层的了解(算法还是没法手撕囧),但起码有一个比较完整的思路;

一些可以借鉴的东西:

导图

图片描述

贝塞尔曲线算法资料:


源码阅读专栏对一些中小型热门项目进行源码阅读和分析,对其整体做出导图,以便快速了解内部关系及执行顺序。
当前源码(带注释),以及更多源码阅读内容:https://github.com/stonehank/sourcecode-analysis,欢迎fork,求

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madRain · 6月19日

不能赞同“canvas没有默认的画出贝塞尔曲线方法”的说法,CanvasRenderingContext2D 原型有 .quadraticCurveTo()、 .bezierCurveTo () 两种方法,分别用于绘制二次和三次贝塞尔曲线。
更高阶的贝塞尔曲线绘制方法确实没有,也没有必要提供。一般的曲线平滑工程不推荐使用三阶以上贝塞尔曲线,毕竟其计算量应该是等于从1连加到阶数(曲线闭合),或从1连加到阶数-2(曲线不闭合),需要采用迭代算法,局部改动需要全部重新计算;采用三次贝塞尔曲线拼合的方式更加适合,其计算量与阶数呈倍数关系,循环计算即可,无需迭代,局部改动只影响周围四个点的计算,其他点的数据可以复用。

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感谢更正!已更新

stonehank 作者 · 6月19日
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