突袭HTML5之Canvas 2D入门3 - 变换与组合

知识准备 - 坐标系

　　在真正开始总结变换之前，我们需要先了解一下canvas的相关坐标系知识。

“像素坐标系”：在HTML中，我们会设置canvas的属性：width和height，它们是以像素为单位的，它们描述了canvas最终的呈现区域，我形象称之为“像素坐标”(自创，不是很贴切，行家别见笑)，这个坐标系原点在canvas的左上角，这个坐标系当canvas创建完成以后，就不会变了(当然了，修改width与height的时候会变的)，原点一直位于左上角；x与y各有多少像素，都已经由width和height决定了。说白了，这个东西就像画画时的画布，你给多大就多大。

“网格坐标系”：在绘图的时候使用的坐标系。我们绘图时所有的单位使用的并不是像素坐标，而是这个称为网格的坐标系。为了在有限的画布内，画出各种比例的图形，我们可能就要对这个坐标系进行各种变换(平移、旋转、缩放)。所以后面总结的各种变换都是针对网格坐标系的。

　　这两个坐标系的关系其实就像显示器与桌面的关系一样，显示器就相当于像素坐标系，它的点都是固定的，造出来什么样就什么样。桌面就像是网格坐标系，我们可以随时移动，旋转桌面，修改桌面分辨率来看更多的内容。

　　在canvas中，默认情况下，网格坐标与像素坐标是一一对应的，原点都在左上角，每1个网格单位对应1个像素单位。canvas里的所有物体的位置都是相对于网格坐标的原点而言的。如下面图中所示，默认情况下，蓝色方块的位置就是距左边x单位和距上边y单位（坐标(x, y)）。

知识准备 - 状态保持

　　在正式介绍变形之前，还需要先了解一下两个绘制复杂图形就必不可少的方法，这两个方法在变形中应用的相当广泛。

　　保存状态：context.save()
　　恢复状态：context.restore()

　　save和restore方法是用来保存和恢复canvas状态的，都没有参数。canvas的状态就是当前画面应用的所有样式和变形的一个快照。

　　canvas状态是以堆(stack)的方式保存的，每一次调用save方法，当前的状态就会被推入堆中保存起来。这种状态包括：

• 当前应用的变形（即移动，旋转和缩放）；
• 所有样式：strokeStyle, fillStyle, globalAlpha, lineWidth, lineCap, lineJoin, miterLimit, shadowOffsetX, shadowOffsetY, shadowBlur, shadowColor, globalCompositeOperation 的值；
• 当前的裁切路径（clipping path）。

　　你可以调用任意多次save方法，将canvas状态入栈。每一次调用restore方法，上一个保存的状态就从堆中弹出，所有设定都恢复。

下面的例子能很容易的说明save与restore的使用方法：

function draw() {  
  var ctx = document.getElementById('lesson01').getContext('2d');  
  
  ctx.fillRect(0,0,150,150);   // Draw a rectangle with default settings  
  ctx.save();                  // Save the default state  
  
  ctx.fillStyle = '#09F'       // Make changes to the settings  
  ctx.fillRect(15,15,120,120); // Draw a rectangle with new settings  
  
  ctx.save();                  // Save the current state  
  ctx.fillStyle = '#FFF'       // Make changes to the settings  
  ctx.globalAlpha = 0.5;      
  ctx.fillRect(30,30,90,90);   // Draw a rectangle with new settings  
  
  ctx.restore();               // Restore previous state  
  ctx.fillRect(45,45,60,60);   // Draw a rectangle with restored settings  
  
  ctx.restore();               // Restore original state  
  ctx.fillRect(60,60,30,30);   // Draw a rectangle with restored settings  
} 

　　在上面的例子中可以看到，如果每次都手动修改各个样式的值，那将会很麻烦，特别是样式的值很多的时候，更是容易出错。这个时候使用save/restore还是很方便的。

变换

　　学过图形学的都知道，变换有这么几种：移动，旋转和缩放。为了弄清楚变换的效果，我们一定要理解，变换的目标是哪个。上面我也说了，这些变换都是针对网格坐标系的。下面分别看一下这些变换。

平移变换：将网格坐标系的原点移动指定的偏移量。 

context.translate(x, y)
translate 方法接受两个参数。x 是左右偏移量，y 是上下偏移量。
在做变形之前先保存状态是一个良好的习惯。大多数情况下，调用restore方法比手动恢复原先的状态要简单得多。特别是在循环中，更要注意保存和恢复canvas的状态。

旋转变换：将网格坐标系沿着自己的原点顺时针旋转指定的角度。

context.rotate(angle)
这个方法只接受一个参数：旋转的角度(angle)，它是顺时针方向的，以弧度为单位的值。旋转的中心点始终是 canvas 的原点。

缩放变换：将网格坐标系的坐标单位按照指定的比例进行缩小或放大。

context.scale(x, y)
scale 方法接受两个参数。x,y 分别是横轴和纵轴的缩放因子，它们都必须是正值。值比 1.0 小表示缩小，比 1.0 大则表示放大，值为 1.0 时什么效果都没有。

　　因为像素大小是不变的，所以这个变换实际的效果就是同样大小的画布内，能画的东西多了或少了。

　　变换例子如下：

function draw() {  
  var ctx = document.getElementById('lesson01').getContext('2d');  
  ctx.lineWidth = 1.5;  
  ctx.fillRect(0,0,300,300);   

  ctx.translate(150,150);  
  ctx.rotate(Math.PI/4);
  ctx.scale(0.5,0.5); 
  ctx.clearRect(-40,-40, 80,80); 
}

变换矩阵：所有的变换其实都可以用矩阵来表述。

可以用下面两种方法直接设置变换矩阵：

context.transform(m11, m12, m21, m22, dx, dy)
context.setTransform(m11, m12, m21, m22, dx, dy)
第一个方法直接将当前的变形矩阵乘上下面的矩阵(注意排列的顺序)：
m11  m21  dx
m12  m22  dy
0       0       1
第二个方法会重置当前的变形矩阵为单位矩阵，然后以相同的参数调用transform方法。

function draw() {  
  var canvas = document.getElementById("lesson01");  
  var ctx = canvas.getContext("2d");  
  
  var sin = Math.sin(Math.PI/6);  
  var cos = Math.cos(Math.PI/6);  
  ctx.translate(200, 200);  
  var c = 0;  
  for (var i=0; i <= 12; i++) {  
    c = Math.floor(255 / 12 * i);  
    ctx.fillStyle = "rgb(" + c + "," + c + "," + c + ")";  
    ctx.fillRect(0, 0, 100, 10);  
    ctx.transform(cos, sin, -sin, cos, 0, 0);  
  }  
    
  ctx.setTransform(-1, 0, 0, 1, 200, 200);  
  ctx.fillStyle = "rgba(255, 128, 255, 0.5)";  
  ctx.fillRect(0, 50, 100, 100);  
}

　　所有的变换起始都是通过变换矩阵实现的，所以上述的平移，旋转，缩放都可以用相应的矩阵代替，精通数学的同学可以自己推导出来：
平移：context.translate(dx,dy)可以使用context.transform (1,0,0,1,dx,dy)或者context.transform(0,1,1,0.dx,dy)代替。
旋转：context.rotate(θ)可以使用context.transform(Math.cos(θ*Math.PI/180)，Math.sin(θ*Math.PI/180),-Math.sin(θ*Math.PI/180),Math.cos(θ*Math.PI/180)，0，0)或者

context.transform(-Math.sin(θ*Math.PI/180),Math.cos(θ*Math.PI/180)，Math.cos(θ*Math.PI/180)，Math.sin(θ*Math.PI/180), 0，0)代替。
缩放：context.scale(sx, sy)可以使用context.transform(sx,0,0,sy,0,0)或者context.transform(0,sy,sx,0, 0,0)代替。 

组合
　　默认情况下，我们总是将一个图形画在另一个之上，也就是说绘制的结果受制于绘制图形的顺序。大多数情况下，这样是不够的，设置组合属性就是解决图形重叠时采取何种效果的问题。我们使用globalCompositeOperation属性来改变默认做法。
globalCompositeOperation = type
　　type是下列的12中字符串值之一：

• source-over (default):这是默认设置，新图形会覆盖在原有内容之上。
• source-in:新图形会仅仅出现与原有内容重叠的部分。其它区域都变成透明的。
• ource-out:结果是只有新图形中与原有内容不重叠的部分会被绘制出来。
• source-atop:新图形中与原有内容重叠的部分会被绘制，并覆盖于原有内容之上。
• lighter:两图形中重叠部分作加色处理。
• xor:重叠的部分会变成透明。
• destination-over:会在原有内容之下绘制新图形。
• destination-in:原有内容中与新图形重叠的部分会被保留，其它区域都变成透明的。
• destination-out:原有内容中与新图形不重叠的部分会被保留。
• destination-atop:原有内容中与新内容重叠的部分会被保留，并会在原有内容之下绘制新图形。
• darker:两图形中重叠的部分作减色处理。
• copy:只有新图形会被保留，其它都被清除掉。

　　假设我们先绘制了一个蓝色的矩形，再绘制一个红色的圆形，则应用这12种组合设置的结果如下所示：

注意：如果设置的属性值没有效果，说明目前您使用的浏览器还不支持该组合属性值。

裁剪
　　与组合相关的一个问题是裁剪。其实在绘制路径的时候，最后一步将图形绘制到canvas的函数除了stroke和fill外，还有就是clip；以clip结束路径时会将当前绘制的图形当做裁剪路径，只有在裁剪路径内的图形才会显示。裁切路径属于canvas状态的一部分，可以被保存起来。如果我们在创建新裁切路径时想保留原来的裁切路径，我们需要做的就是保存一下canvas的状态。
　　例如下面的例子就是先绘制Mask层的背景和裁剪路径，然后绘制的图形就只有在裁剪路径内的才可见：

function draw() {  
  var ctx = document.getElementById('lesson01').getContext('2d');  
  // draw mask background
  ctx.fillRect(0,0,150,150);  
  ctx.translate(75,75);  

  // create a circular clipping path  
  ctx.beginPath();  
  ctx.arc(0,0,60,0,Math.PI*2,true);  
  ctx.clip();  
  
  // draw background  
  var lingrad = ctx.createLinearGradient(0,-75,0,75);  
  lingrad.addColorStop(0, '#232256');  
  lingrad.addColorStop(1, '#143778');  
    
  ctx.fillStyle = lingrad;  
  ctx.fillRect(-75,-75,150,150);  
  
  // draw stars  
  for (var j=1;j<50;j++){  
    ctx.save();  
    ctx.fillStyle = '#fff';  
    ctx.translate(75-Math.floor(Math.random()*150),  
                  75-Math.floor(Math.random()*150));  
    drawStar(ctx,Math.floor(Math.random()*4)+2);  
    ctx.restore();  
  }    
}  
function drawStar(ctx,r){  
  ctx.save();  
  ctx.beginPath()  
  ctx.moveTo(r,0);  
  for (var i=0;i<9;i++){  
    ctx.rotate(Math.PI/5);  
    if(i%2 == 0) {  
      ctx.lineTo((r/0.525731)*0.200811,0);  
    } else {  
      ctx.lineTo(r,0);  
    }  
  }  
  ctx.closePath();  
  ctx.fill();  
  ctx.restore();  
}

实用参考：
官方参考文档以及API详细说明：http://www.whatwg.org/specs/web-apps/current-work/multipage/the-canvas-element.html
权威开发入门：https://developer.mozilla.org/cn/Canvas_tutorial