前端高级之路：写一个高逼格可视化“圆环”

日常生产生活中，我们会经常读到或使用各种类型的图表。圆环（圆弧）便是一种较常见的类型，用于直观展现某一数据指标占整体的比例。本文以 HTML Canvas 的实现为主（当然，SVG 党可以在了解原理后自行实现），逐层介绍圆环图表开发的一些主要思路和原理。

图1 所示是一些我们平时比较常见的一些圆环（圆弧）效果。虽然图形的主体构成都是圆弧，但不同效果在信息传达的功能上却略有差异。如：

• 闭合的圆环可以表示流程 “进度” 的概念
• 非闭合圆环一般用于状态量（标量）的展示，一般也称为 “仪表盘” 效果
• 不同的色相可用于标识状态量的状态区间（如：低危-中危-高危 区间的标识可以使用三种颜色的构成的过渡效果进行表达）

为了更加方便、完善地解决我们在业务开发时的具体需要，可以对这些风格、样式进行一定分析、抽象，总结出一个通用组件需要具备的能力，如：

• 颜色、渐变可配（支持传入单一色值或颜色序列）
• 圆弧宽度可调（内、外半径大小可配置）
• 圆弧夹角可调（开始角度、截止角度可配置）
• 圆弧端点造型可选（可切换平角/半圆造型
• 文案效果可调（字号、字体、颜色等）

下面，我们着手于实现这样一个功能全面、业务通用性较强的圆环组件。

1. 圆环的造型

绘制圆环造型的第一步，需要先绘制圆环图表构成要素，即一段一段的圆弧。而对于像下图中这样的两种倒角效果（黄色部分圆弧两端的样式），既可以是直角，也可以是半圆。

因此，我们需要实现一个通用的方法来绘制圆弧，提供两种倒角风格给用户。

1.1 前景圆弧的绘制

圆弧绘制的思路如上图所示，按先后顺序大致分为几个步骤：

（1）绘制圆弧起始端的半圆轮廓

（2）绘制圆弧的外边缘轮廓

（3）绘制圆弧终止端的半圆轮廓

（4）绘制圆弧的内边缘轮廓

（5）闭合轮廓并填充色彩

注：由于 canvas 绘制圆弧的方法默认是顺时针方向，因而我们的绘图步骤也是沿着顺时针方向

以下是一些姿势要领：

1.1.1 端点坐标的计算

在绘制端点半圆之前我们需要端点的位置坐标，以其实端为例，根据圆环的半径（内外径的均值，即圆弧中线的半径）和起始端点的角度如何计算圆上一点的坐标：

// 计算圆弧上某点的坐标
// originX, originY - 圆心的坐标
// radius - 圆环半径，等于圆环内、外径的平均值，也即圆弧中线的半径
// alpha - 弧度
function calcPosition(originX, originY, radius, alpha) {
     
  return [
    radius * Math.cos(alpha) + originX,
    radius * Math.sin(alpha) + originY,
  ];
}

1.1.2 端点半圆的起止角度

在 canvas 中绘制一个 arc，需要知道其起始角度和终止角度。由于 canvas 绘制默认方向为屏幕顺时针方向（屏幕 Z轴 的左手螺旋方向），从上面的示意图中可以看出：

起始端半圆弧度范围 - [radianStart - Math.PI, radianStart]

终止端半圆弧度范围 - [radianEnd, radianEnd + Math.PI]

1.1.3 绘制半圆

有了端点坐标和起止角度，便可以绘制端点的半圆：

// 以起始端的半圆倒角为例
myCanvas.context.arc(
  x,
  y,
  (radiusOutter - radiusInner) / 2,     // 小圆半径，等于圆环线宽的一半
  radianStart - Math.PI,
  radianStart
);

直角倒角风格的绘制与半圆倒角圆弧的绘制步骤基本相同，主要差别在于不用绘制圆弧两个端点的小半圆，改成绘制直线。背景圆弧的绘制也与前景圆弧方法一致。

2. Canvas 实现锥形渐变

上面的步骤可以绘制出圆弧的轮廓，要达到 图1 那样的视觉效果，我们需要给前面绘制出来的轮廓填充图像。

沿着圆周方向的渐变，因为其图像形似圆锥体的俯瞰效果，俗称锥形渐变：

众所周知，CSS 中有一个名为 conic-gradient 的属性直接支持锥形渐变，而 HTML Canvas 的原生 API 目前还没有类似的能力。那么，我们如何在 canvas 中绘制出这样的图像呢？

下面我们讲下大致的原理：

（1）对用户传入的颜色进行插值，得到一个颜色序列。

这里，我们直接使用 canvas 原生的 createLinearGradient 方法，在离屏 canvas 中绘制一个 1px 的线性渐变效果，图像宽度正好是我们要插值的数量，渐变插值的结果也就是 canvas 上对应像素位置的色值。

颜色插值（渐变取色）代码实现如下：

// 用于实现颜色插值的工具类
export default class ColorInterpolate {
     
  // 参数01: stops - 为要插值的颜色序列，数据格式形如：[[0, 'red'], [0.5, 'green'], [1.0, 'yellow']]
  // 参数02: segment - 插值段落数，即插值结果的颜色值的数量
  constructor(stops = [], segment = 100) {
     
    // 构建离屏 canvas
    const canvas = document.createElement('canvas');
    canvas.width = segment;
    canvas.height = 1;
    this.ctx = canvas.getContext('2d');

    // 绘制线性渐变
    const gradient = this.ctx.createLinearGradient(0, 0, segment, 0);
    for (let [offset, color] of stops) {
     
      gradient.addColorStop(offset, color);
    }

    this.ctx.fillStyle = gradient;
    this.ctx.fillRect(0, 0, segment, 1);
  }

  // 根据位置偏移量获取插值后的色值
  getColor(offset) {
     
    const imgData = this.ctx.getImageData(offset, 0, 1, 1);
    return `rgba(${imgData.data.slice(0, 3).join(',')}, ${imgData.data[3] / 255})`;
  }
}

（2）如下图所示，我们可以把渐变的图像看成是由足够多填充了单个色值的小 “扇面” 拼接而成。

按照这样的思路，我们只需要遍历上面色彩插值得到的各个颜色，然后逐个绘制小扇面，便可得到一个锥形渐变图像。

为此我们封装了一个名为 createConicalGradient 的方法，其使用习惯与 canvas 原生的 createLinearGradient 和 createRadialGradient 方法相似。具体代码见 我的 Github（觉得有用的童鞋可以 star 一下）。

3. 过渡动画

3.1 圆弧的过渡

在数值发生改变时，我们的图表需要一个能够跟随数据改变的过渡动画效果，对于 canvas 而言，便是清除旧图像然后绘制新一帧图像。这里有一些方法包装上的技巧：

// 注：伪代码，真实场景建议 OOP 方式包装为工具类

let _animTick = null;
let _animFrames = null;
let _frameData = null;
let _animDiff = null;

// 动画方法
function _animate(duration) {
     
  if (_animTick === null) {
     
    // 根据动画时长 duration 计算整个动画一共需要多少帧（以 60fps 计算）
    _animFrames = Math.round((duration / 1e3) * 60);

    // 相邻两帧动画的数据变化
    _animDiff = _calcAnimDiff(_animFrames);

    // 动画帧数标识
    _animTick = 0;
  }

  // 当前帧的数据值
  _frameData = _caclCurentData(_animDiff, _animTick);
  _renderFrame(_frameData);

  if (_animTick !== null && _animTick < _animFrames) {
     
    // 继续执行动画
    window.requestAnimationFrame(() => {
     
      _animate();
      _animTick += 1;
    });
  } else {
     
    // 动画结束
    _renderFrame(_frameData);
    _animTick = null;
  }
}

// 绘制当前帧
function _renderFrame(data) {
     
  // ...
}

// 计算动画相邻帧的数据差异
function _calcAnimDiff() {
     
  // ...
}

// 根据两帧数据差计算当前帧
function _caclCurentData() {
     
  // ...
}

3.2 两种动画模式

在过渡动画执行的过程中，需要考虑两种不同的模式：一种是渐变图像不变化，仅是圆弧的轮廓从旧状态变化到新状态；一种是渐变图像的夹角范围跟随轮廓的大小改变。

这两种模式其实都有一定意义：前者可以使用不同颜色代表数值的不同状态；后者仅仅是将渐变的颜色看成一种装饰效果。

4. 结果演示

比较关键的原理都介绍完了，最后展示一下我们封装的图表组件的效果（右侧 GUI 部分是我们自研的设计引擎的编辑效果）：

5. 写在后面

本文是可视化图表开发的一个小案例，。篇幅比较短，还有很多细节没有展开讨论。感兴趣的童鞋欢迎交流、留言评论！